近日，中科院谷孝剛等人將碳納米管網(wǎng)絡(luò)作為骨架，選用親水性材料包覆的方式來實現(xiàn)對原始結(jié)構(gòu)的改性，制備出新型復(fù)合纖維致動器。
致動器是一種能夠在外界信號源的驅(qū)動下產(chǎn)生一定的位移響應(yīng)或提供力學(xué)輸出的器件，亦稱人工肌肉。這種器件將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為機械能，其種類及應(yīng)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(wèi)星天線的形狀記憶合金、產(chǎn)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(yōu)異的力學(xué)強度和柔韌性、較高的電導(dǎo)、較強的光吸收能力等優(yōu)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(zhì)/碳納米管三層彎曲致動器，以及碳納米管（復(fù)合）纖維扭轉(zhuǎn)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(fā)生非對稱的體積形變，進而引起整體結(jié)構(gòu)的彎曲；而扭轉(zhuǎn)致動器則是基于螺旋結(jié)構(gòu)的纖維體積膨脹后產(chǎn)生解旋運動，同時往往還會伴隨軸向的提拉運動。相比傳統(tǒng)的電動機而言，這些器件具有結(jié)構(gòu)和工藝更加簡單、便于微型化等優(yōu)勢，在人工智能、生物醫(yī)療、微傳感器等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖1（a）復(fù)合纖維的制備過程；（b）致動機理示意圖；（c）不同槳葉質(zhì)量下的扭程和提拉應(yīng)變。
針對碳納米管纖維扭轉(zhuǎn)致動器，以往較多的研究集中在利用電熱效應(yīng)、光熱效應(yīng)或電化學(xué)離子嵌插效應(yīng)引發(fā)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(tài)或氣態(tài)溶劑的直接激勵，使器件產(chǎn)生十分顯著的扭轉(zhuǎn)行為。受自然界中諸多濕度致動現(xiàn)象的啟發(fā)，如松果的鱗片會隨著空氣濕度的變化而關(guān)閉或張開、某些植物種子上的須刺因晝夜?jié)穸鹊慕惶孀兓瘜⒎N子推進到更深的土壤層，研究者們也希望利用輕質(zhì)、高強度的碳納米管纖維結(jié)構(gòu)制備出由最常見的無機溶劑-水驅(qū)動的扭轉(zhuǎn)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(gòu)建的纖維不會對水產(chǎn)生有效的響應(yīng)。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(jié)構(gòu)，引入較多的缺陷，從而降低了力學(xué)強度。此外，這種方法只能修飾結(jié)構(gòu)表面的親疏水性，而內(nèi)部的疏水性幾乎不會改變。
圖2復(fù)合纖維的扭轉(zhuǎn)和提拉致動性能測試。（a）激光位移傳感器記錄槳葉的扭轉(zhuǎn)運動；（b）扭轉(zhuǎn)致動的循環(huán)穩(wěn)定性測試；（c）玻璃片限制槳葉扭轉(zhuǎn)；（d）復(fù)合纖維提拉自身重量~11，309倍的重物，最大應(yīng)變~9.4%；（e）復(fù)合纖維的提拉應(yīng)變和功率密度隨槳葉質(zhì)量的變化關(guān)系；（f）提拉致動的循環(huán)穩(wěn)定性測試。
中科院多年來一直致力于碳納米材料的制備、物性與應(yīng)用基礎(chǔ)研究，近期谷孝剛等人將碳納米管網(wǎng)絡(luò)作為骨架，選用親水性材料包覆的方式來實現(xiàn)對原始結(jié)構(gòu)的改性。經(jīng)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(huán)境中能夠保持長時間的穩(wěn)定性，另外還能通過π-π鍵相互作用與碳納米管發(fā)生較為緊密的結(jié)合。這種CNT/PEDOT:PSS復(fù)合纖維致動器展現(xiàn)出很好的水（濕度）致動性能。特別地，通過限制纖維的扭轉(zhuǎn)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(yīng)力可達到96.9J/kg和39MPa，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(dǎo)電材料，器件還可以實現(xiàn)快速、大幅度的電致動。這種新型復(fù)合纖維致動器在濕度傳感、發(fā)電、微流體攪拌等方面具有潛在的應(yīng)用前景。
圖3（a）復(fù)合纖維對環(huán)境濕度的響應(yīng)；（b）復(fù)合纖維編織物；（c）在幅值10mA，周期~1s的脈沖電流激勵下發(fā)生電致動。
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