具有環(huán)境刺激響應(yīng)性的柔性智能驅(qū)動器在機械、生物醫(yī)藥、傳感器、人工肌肉和機器人等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。青島能源所代謝物組學(xué)研究組的研究人員，受松果球鱗片濕度響應(yīng)性形變現(xiàn)象的啟發(fā)，利用木質(zhì)素粘合策略構(gòu)建了一種新型的納米纖維素基柔性智能驅(qū)動器。
為了實現(xiàn)快速和多重刺激響應(yīng)，制備柔性驅(qū)動器的典型方法是設(shè)計雙層、多層或各向異性結(jié)構(gòu)，以將尺寸變化轉(zhuǎn)換為預(yù)期的運動以響應(yīng)外部刺激。其中的二維雙層異質(zhì)膜具有非對稱的吸濕性、導(dǎo)電性或光學(xué)特性，引起了人們的廣泛關(guān)注。但傳統(tǒng)的異質(zhì)膜制備往往需要加入特殊界面，或進行復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)等，制備成本較高。事實上，在自然界中，掉落的松果球的鱗片（由于其中纖維素的吸濕性和鱗片的特殊結(jié)構(gòu)）會隨環(huán)境濕度的變化而產(chǎn)生開合運動。受這種自然現(xiàn)象的啟發(fā)，可以利用纖維素來制備環(huán)境響應(yīng)性柔性驅(qū)動器。但纖維素基的驅(qū)動器由于纖維素表面大量親水基團的存在往往不耐水，層間結(jié)合差，更不能在潮濕環(huán)境下使用。
在植物細胞壁中，木質(zhì)素作為一種天然粘合劑，其疏水結(jié)構(gòu)骨架（苯丙烷聚合物）也賦予植物纖維管束組織良好的抗水性。受此啟發(fā)，研究人員在前期建立的納米纖維素清潔制備和應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上（授權(quán)專利ZL201510680481.X、201610041262.1、201610041840.1、201810662523.0；Carbohyd. Polym., 2019, 209, 130-144，入選高被引文章；ACS Sustain. Chem. Eng., 2019, 7, 1327-1336，封面文章；J. Hazard. Mater., 2020, 400, 123106），用煙桿為原料，經(jīng)甲酸水解法制備了含有木質(zhì)素的纖維素納米纖絲（LCNF），然后用LCNF分散液制備得到含有木質(zhì)素的纖維素納米紙（CNP），由于木質(zhì)素的存在，所得CNP的耐水性和濕強更高（濕拉伸強度達83MPa（J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 13021-13030，封底文章））。
隨后，在該含有木質(zhì)素的CNP濕膜上再抽濾一層氧化石墨烯（GO），干燥后可制得具有GO/CNP雙層結(jié)構(gòu)的異質(zhì)膜（發(fā)明專利ZL202010081195.2）。由于木質(zhì)素的存在和粘合作用，兩層結(jié)合緊密并具有很好的耐水性和水相穩(wěn)定性。再將GO/CNP干膜浸漬于抗壞血酸水溶液中做還原處理，可將GO層清潔還原為還原氧化石墨烯（rGO）層，干燥后得到rGO/CNP雙層結(jié)構(gòu)的異質(zhì)膜，該膜同樣具有很好的耐水性和水相穩(wěn)定性，且CNP層中適量羥基的吸、失水引起的CNP層的潤脹和收縮，可賦予該異質(zhì)膜的記憶性形變特性（類似松果球的鱗片隨環(huán)境濕度變化的開合運動）。同時，由于rGO層具有很好的光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)和焦耳熱效應(yīng)，使該異質(zhì)膜兼具很好的近紅外光響應(yīng)性和電驅(qū)動性，其電驅(qū)動響應(yīng)速度可達1.875 /s/V，為文獻報道的具有同等重量的同類碳/聚合物基柔性驅(qū)動器電驅(qū)動響應(yīng)速度的最高值。此外，該異質(zhì)膜設(shè)計制備簡單，層間不需要加入任何助劑，易于大面積制備，克服了常規(guī)異質(zhì)膜層間結(jié)合弱的問題，具有很好的使用耐久性和循環(huán)使用性（耐折度>1000次，濕度穩(wěn)定，耐久電驅(qū)動性>500個循環(huán)），在驅(qū)動器和智能器件的開發(fā)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
本研究利用木質(zhì)素的界面粘合作用來組裝多重刺激響應(yīng)性異質(zhì)膜的策略，可以為新型智能柔性驅(qū)動器的設(shè)計和構(gòu)建提供重要借鑒，而且木質(zhì)纖維原料的有效利用更符合人類社會的可持續(xù)發(fā)展。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Chem. Eng. J.（2021, doi: 10.1016/j.cej.2021.133672）期刊上，論文第一作者是車欣鵬博士研究生，通訊作者是劉超博士、徐環(huán)斐博士和李濱副研究員。
相關(guān)系列研究得到了國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)杰出青年基金和研究所自主部署基金等項目的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133672
Xinpeng Che, Meiyan Wu, Guang Yu, Chao Liu*, Huanfei Xu*, Bin Li*, Chaoxu Li. Bio-inspired water resistant and fast multi-responsive Janus actuator assembled by cellulose nanopaper and graphene with lignin adhesion. Chemical Engineering Journal, 2021.
