智能軟驅動材料是指在一定的外部刺激下能夠將各種能量（光能、熱能、化學能及氣體的梯度勢能）轉換為機械能進而發生可逆形變的高分子材料。最近幾年，軟驅動材料已經在許多高科技領域如軟體機器人、傳感器和體內手術設備等方面引起了極大的研究興趣。但通常受限于組成材料自身的成分及其結構，這些驅動材料在驅動效率及速度、機械穩定性、響應靈敏度、形變可控性及復雜性等方面還存在嚴重不足，限制了軟驅動材料的進一步應用。

    中科院寧波材料所陳濤研究員帶領的智能高分子材料團隊前期研發了系列形狀記憶型水凝膠軟驅動材料，并取得了階段性進展（Chem. Commun. 2014, 50,12277; Macromol. Rapid Commun. 2015, 36, 533; Polym. Chem. 2016, 7, 5343; Chem. Sci. 2016, 7, 6715; Chem. Commun. 2016, 52, 13292），但這些材料的驅動能力及響應靈敏度還仍顯不足；基于該團隊在碳基材料與高分子復合方面的研究基礎（Chem. Commun., 2013, 49, 11167; Chem. Commun., 2014, 50, 7103; J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 15268; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 16204; J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 4124; Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 2428; J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 10810; Chem. Mater., 2016,28, 7125），該團隊近期通過協同發揮聚多巴胺對水汽的敏感性與碳基材料如石墨烯等獨特氣體阻隔性，制備了基于刺激響應高分子與石墨烯的納米復合智能軟驅動材料。研究人員通過采用真空抽濾自組裝的方法，將原位聚合制備得到的大尺寸還原氧化石墨烯/聚多巴胺（RGO-PDA）納米復合薄片的分散液組裝成宏觀尺度的層狀結構納米復合薄膜（圖1-A）。在水汽梯度的驅動下，該薄膜具有極高的響應靈敏度（圖1-B）、快速運動能力（1000°/s）（圖1-C）、強驅動力（可以承載自身42倍重量）（圖1-D）以及連續自發運動（圖1-E）等優良性能。這種材料突破了只有雙層結構的材料才能進行驅動的限制，可以實現在外部刺激的過程中均一薄膜原位形成雙層結構，進而進行驅動，這為制備新型快速、高靈敏驅動材料提供了一種新思路（Adv. Mater. Interfaces, 2016, 3, 1600169）。

    圖1 由石墨烯/聚多巴胺自組裝成的納米復合膜（A）驅動材料具備極高響應靈敏度（B）快速彎曲運動（C）大的驅動力（D）及濕度梯度連續驅動能力（E）等優良性能

    如果要實現軟驅動材料的實際應用，迫切需要開發新的制備方法以獲得各種復雜形變、特別是三維（3D）的復雜形變。近期，該團隊研究人員采用紫外光原位還原法，將氧化石墨烯-聚（N-異丙基丙烯酰胺）（GO-PNIPAM）復合水凝膠的局部區域的氧化石墨烯還原，從而高度可控地獲得了特定的各向異性結構。以其為模板，還可在水凝膠未還原區域引入其他刺激響應的第二網絡，進一步實現了多重響應（熱、光、離子強度和pH響應）的3D復雜形變（圖2，Adv. Funct. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adfm.201603448）。利用此方法，研究人員設計了一種具有復雜智能形變的仿生驅動器，可以在多重刺激響應下，準確抓取特定區域的目標物。這為智能軟質驅動器件的設計和開發，特別是遠程可控和多重響應的3D復雜驅動，提供了新思路。

    圖2 具備多重響應、復雜三維形變能力（A）及抓取能力（B）的智能軟驅動材料

    該研究工作得到了國家“青年千人計劃”、中科院前沿局“拔尖青年科學家”（QYZDB-SSW-SLH036）、國家自然科學基金（21304105，51573203）、浙江省杰出青年基金（LR14B040001）與浙江省石墨烯應用研究重點實驗室等的資助。

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責任編輯：王元

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