Nano Lett. | 形变可编程、动作可记忆的氧化石墨烯执行器

英文原题：Reconfigurable, Reversible, and Redefinable Deformation of GO Based on Quantum-Confined-Superfluidics Effect

通讯作者：张永来，吉林大学

作者：Jia-Nan Ma (马佳楠), Yong-Lai Zhang (张永来) , Dong-Dong Han (韩冬冬) , Hong-Bo Sun (孙洪波)

背景介绍

执行器是一种能够在外部环境刺激下实现可控变形的智能器件，其在软机器人、生物医学设备、航空航天工程等领域显示出巨大的应用潜力。迄今为止，基于不同智能材料的执行器已得到迅速发展。其中氧化石墨烯（GO）作为一种典型的智能材料受到研究人员的广泛关注。鉴于氧化石墨烯能够实现水分子的超快传输以及具备特殊的2D纳米通道（0.73~0.9nm），研究人员称其具有天然的量子限域超流体通道，并通过构建各向异性的量子限域超流体通道实现GO执行器的湿度驱动。目前，利用量子限域超流体技术制备GO执行器的研究仍处于早期阶段，只能实现简单的变形，因此迫切需要进行广泛和深入的研究。然而，想要通过调控1nm左右的量子限域超流体通道来编程GO 执行器的形变是非常具有挑战性的。

文章亮点

近日，吉林大学张永来教授团队在Nano Letters上发表了通过调控量子限域超流体通道实现GO执行器形变可编程、动作可记忆的研究。利用湿度辅助应变诱导褶皱效应对GO膜的量子限域超流体通道进行灵活调控，进而使得GO执行器固定成为任何所需的形状（图1）。有趣的是，无论GO膜固定成什么形状，由于水分子在量子限域超流体通道的超快传输和膨胀效应，它总是在湿度驱动下趋于平坦。此外，形成的量子限域超流体纳米通道（定型过程）是可重新定义的，其湿度响应（驱动过程）是完全可逆的。

图1.GO执行器的定型和驱动原理

通过调控量子限域超流体通道制备的GO执行器具有灵活的定型和变形能力，可应用于柔性机器人的制备。作为概念验证，该项工作展示了爬行、旋转、翻转式运动机器人（图2），以及无源机电设备，如：湿度开关和自动翻身太阳能电池（图3）。

图2.利用GO执行器制备的爬行、旋转、翻转式机器人

图3.利用GO执行器制备的湿度开关和自动翻身太阳能电池

总结/展望

研究团队通过湿度辅助应变诱导褶皱效应灵活调控量子限域超流体通道，从而实现GO执行器在湿度驱动下的可重构、可逆和可重复定义形变，并从理论和实验上研究了其内在机制。本文设计的GO执行器具有独特的定型和形变能力，可能会对未来的柔性机器人技术产生重大影响。

相关论文发表在Nano Letters上，吉林大学博士研究生马佳楠为文章的第一作者，张永来教授为通讯作者。

通讯作者信息：

张永来 教授

张永来，电子科学与工程学院，教授，国家优青。2009年毕业于吉林大学，化学学院，获无机化学博士学位。2010年在吉林大学电子科学与工程学院任教。2011年在韩国延世大学任研究教授；2011年入选首届“香江学者”计划，在香港城市大学做博士后研究。2015年获国家优秀青年基金资助，2017年获吉林省拔尖创新人才称号，2018年获吉林省青年科技奖，2021年获国家自然科学二等奖（排名第三）。研究方向是激光仿生制造。在智能仿生表面、仿生微纳机器人、仿生智能微系统等方面，取得了一系列创新性成果，近年来在Nat. Commun., Natl. Sci. Rev., Adv. Mater. Nano Lett.等重要学术期刊发表SCI论文120余篇，研究成果被Nature 杂志Highlight 专题报道、美国光学学会(OSA)、美国机械工程师学会(ASME)、中华人民共和国科学技术部官方网站等专题报道。

主页链接：http://cufo.jlu.edu.cn/

Nano Lett. 2022, 22, 20, 8093–8100

Publication Date: October 6, 2022

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c02212

Copyright © 2022 American Chemical Society