苏州纳米所仿生驱动研究取得进展

近期,该课题组进一步从提高碳电极电化学活性、增强与离子相互作用角度出发,设计制备了新型碳氮二维纳米片电极材料,并成功构筑了具有快速大应变响应的电化学驱动器。

离子对于生物体生命活动起着核心作用,参与神经信号传递、肌肉收缩调控等生命过程,是器官组织执行复杂而有序微观运动和宏观变形过程的重要基础。因而,研究具有类生物活性的离子响应型智能人工肌肉材料,通过调节离子传输和材料微观结构(分子构象、孔结构、晶格等)应变,实现仿生驱动功能,成为功能仿生材料领域的重要和热点学科。然而,由于目前材料中难以控制的复杂无序微观环境,造成了内部离子传输和应变的无序性和不均匀性,使得宏观离子驱动材料响应慢,如水凝胶、导电高分子的慢溶胀致动行为。因而,如何实现离子快速响应和稳定大变形等高性能,成为国际上智能材料领域具有挑战性的研究课题。

针对离子无序传输对应变能力的限制这一科学问题,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员陈韦课题组从材料微观有序结构调控入手,利用离子定向传输和短程传输的研究思路来提高材料应变响应性。先后采用了高电荷传输、高力学强度和各向异性结构物性的碳纳米管和石墨烯作为结构单元,由下而上构筑了由低维碳多层次组装有序电极和聚电解质组成的新型电致变形材料,实现空气中1-3V、1-10Hz低电压刺激下的快速大应变驱动性能。相关成果已在Adv. Mater., 2010, 22, 3745Adv. Mater., 2012, 24, 4317,Adv. Mater., 2013, 25, 1270Adv .Mater., 2014, 26, 1025等发表系列论文,为探索低维碳在轻质仿生智能材料中应用奠定重要基础。

近期,该课题组进一步从提高碳电极电化学活性、增强与离子相互作用角度出发,设计制备了新型碳氮二维纳米片电极材料,并成功构筑了具有快速大应变响应的电化学驱动器。如图1、2、3、4所示,利用含碳前驱体(如葡萄糖)与碳氮前驱体(g-C3N4)的混合热解,实现各类氮原子总量在7.02-16.7%的可控掺杂。通过反应温度等条件控制,获得当吡啶氮掺杂量为6.78%的类石墨烯二维材料,表现出兼有高导电(382 S m-1)、高电化学活性(259 F/g,相比于纯石墨烯提高7倍)、窄孔径分布(~2 nm)的特征。研究表明,低维碳电致动主要源于离子在电场下的迁移、吸附、累积溶胀行为。正是由于该电极特有的微孔尺寸、分布及与离子液体强相互作用,使得电极内部离子的嵌入嵌出表现出优异的电化学应变特性:3V电压下,低频应变达0.9%、高频20Hz可达13.8%s-1 应变响应速率及高的循环稳定性(10万次)。基于以上性能,成功实现了扑翼飞行、线性运动、蛇形爬行等多自由度运动形式仿生驱动材料的设计。该工作于近日发表在《自然·通讯》杂志上(Nature Communications. 6, 7258 (2015))。

该工作得到国家自然科学基金、江苏省杰出青年自然科学基金、科技部港澳台合作专项和科技部重大科学研究计划的资助。

苏州纳米所仿生驱动研究取得进展

图1. 碳氮二维纳米片电极材料的制备、形貌以及微结构表征结果

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图2. 碳氮二维纳米片电化学驱动器电学、电化学、电机械性能

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图3. 碳氮二维纳米片电化学驱动器致动机理

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图4. 多自由度仿生驱动材料设计

本文来自中国科学院,本文观点不代表石墨烯网立场,转载请联系原作者。

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