水驅動下的碳納米管復合纖維致動器研究中取得進展

　　致動器是一種能夠在外界信號源的驅動下產生一定的位移響應或提供力學輸出的器件，亦稱人工肌肉。這種器件將其他形式的能量轉化為機械能，其種類及應用都十分廣泛。例如，大家熟知的電動機就是一種典型的電致動器。此外，用于制造衛星天線的形狀記憶合金、產生精準位移的壓電陶瓷等，也都可看作是致動器。

　　碳納米管是一種具有多方面突出性能的碳納米材料。研究者們利用碳納米管優異的力學強度和柔韌性、較高的電導、較強的光吸收能力等優良特性制備了各種各樣的致動器。以輸出的運動形式來分類，主要有碳納米管/高聚物雙層彎曲致動器、碳納米管/凝膠電解質/碳納米管三層彎曲致動器，以及碳納米管（復合）纖維扭轉致動器。其中，彎曲致動器一般是依靠電或光的激勵，使器件兩端發生非對稱的體積形變，進而引起整體結構的彎曲；而扭轉致動器則是基于螺旋結構的纖維體積膨脹后產生解旋運動，同時往往還會伴隨軸向的提拉運動。相比傳統的電動機而言，這些器件具有結構和工藝更加簡單、便于微型化等優勢，在人工智能、生物醫療、微傳感器等諸多領域具有廣闊的應用前景。

　　針對碳納米管纖維扭轉致動器，以往較多的研究集中在利用電熱效應、光熱效應或電化學離子嵌插效應引發致動。最新的工作則注意到碳納米管對酒精、丙酮等有機溶劑的親和性，通過液態或氣態溶劑的直接激勵，使器件產生十分顯著的扭轉行為。受自然界中諸多濕度致動現象的啟發，如松果的鱗片會隨著空氣濕度的變化而關閉或張開、某些植物種子上的須刺因晝夜濕度的交替變化將種子推進到更深的土壤層，研究者們也希望利用輕質、高強度的碳納米管纖維結構制備出由最常見的無機溶劑——水驅動的扭轉致動器。然而，碳納米管本身是一種疏水材料，這意味著原始碳納米管構建的纖維不會對水產生有效的響應。雖然可以采用等離子體輻照的方式對碳納米管進行親水性處理，但是這將在一定程度上破壞碳納米管的分子結構，引入較多的缺陷，從而降低了力學強度。此外，這種方法只能修飾結構表面的親疏水性，而內部的疏水性幾乎不會改變。

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）先進材料與結構分析實驗室“納米材料與介觀物理”研究小組（A05組）多年來一直致力于碳納米材料的制備、物性與應用基礎研究，取得了一系列研究成果。該組馬文君早在2007年就發展出了一套宏觀碳納米管薄膜的生長工藝（Nano Lett., 2007, 7, 2307–2311）。這種較大尺寸、自支撐、性能優異的碳納米管網絡可以十分方便地被擰制成直徑和匝數密度可控的纖維樣品。為避免等離子體處理的破壞作用，近期，該組中科院院士解思深指導的博士生谷孝剛與該組博士生范慶霞、研究員周維亞等人采取一種新的思路：將碳納米管網絡作為骨架，選用親水性材料包覆的方式來實現對原始結構的改性。經過對比，PEDOT:PSS這種材料不僅對水具有非常高的敏感度和吸收能力，而且在水環境中能夠保持長時間的穩定性，另外還能通過π-π鍵相互作用與碳納米管發生較為緊密的結合。這種CNT/PEDOT:PSS復合纖維致動器展現出很好的水（濕度）致動性能。特別地，通過限制纖維的扭轉運動，可以極大地提高軸向的提拉輸出，其能量密度和提拉應力可達到96.9 J/kg和39 MPa，分別約是動物肌肉的12倍和110倍。在濕度較高的條件下，由于碳納米管和PEDOT:PSS都是導電材料，器件還可以實現快速、大幅度的電致動。這種新型復合纖維致動器在濕度傳感、發電、微流體攪拌等方面具有潛在的應用前景。相關研究結果發表在Nanoscale (2016, 8, 17881  -17886)上。

　　該工作得到了科技部、國家自然科學基金委和中科院等項目的支持。

(a) 復合纖維的制備過程； (b) 致動機理示意圖； (c) 不同槳葉質量下的扭程和提拉應變。