研究人员利用木质素键合策略构建纳米纤维素基柔性智能执行器

来源：青岛能源院2021-11-26 08:28

响应环境刺激的柔性智能执行器在机械、生物医学、传感器、人工肌肉和机器人等领域具有巨大的应用潜力。中国科学院青岛生物能源与过程研究所代谢组学研究组受松果鳞茎鳞片湿度响应变形的启发，采用木质素键合策略构建了一种基于纳米纤维素的新型柔性智能执行器。为了实现快速和多刺激响应，制造柔性致动器的典型方法是设计双层、多层或各向异性结构来制作标尺

响应环境刺激的柔性智能执行器在机械、生物医学、传感器、人工肌肉和机器人等领域具有巨大的应用潜力。中国科学院青岛生物能源与过程研究所代谢组学研究组受松果体鳞片湿度响应变形现象的启发，采用木质素键合策略构建了一种新型纤维素基柔性智能执行器。

为了实现快速和多刺激响应，制造柔性致动器的典型方法是设计双层、多层或各向异性结构，以将尺寸变化转换成响应外部刺激的预期运动。其中，二维双层异质薄膜具有不对称的吸湿性、导电性或光学特性，受到广泛关注。然而，传统的异质薄膜制备需要特殊的界面或复杂的化学反应，制备成本高。其实在自然界中，掉落的松果的鳞片(由于纤维素的吸湿性和鳞片的特殊结构)会随着环境湿度的变化而开合。受这一自然现象的启发，研究了纤维素可用于制备具有环境响应的柔性执行器。然而，由于纤维素表面存在大量亲水基团，纤维素基致动器无法在潮湿环境中使用。

在植物细胞壁中，木质素是一种天然的粘合剂，其疏水骨架(苯基丙烷聚合物)赋予植物纤维束良好的耐水性。受此启发，在前人对纤维素清洁制备及应用研究的基础上。多姆。2019，209，130-144，入选高被引文章；Acs sustain.chem.eng，2019年7月，1327-1336，封面文章；j .危害。板牙。2020，400，123，106)，以烟梗为原料，采用甲酸水解法制备了含木质素的纤维素原纤维(LCNF)，再用LCNF分散液制备了含木质素的纤维素纳米纸(CNP)。由于木质素的存在，氯化萘的耐水性和湿强度更高[湿拉伸强度达到83兆帕(J

在含木质素的湿CNP膜上过滤一层氧化石墨烯(GO)，干燥后即可制备出GO/CNP双层结构的异质膜。由于木质素的存在和粘附，两层结合紧密，具有良好的耐水性和水相稳定性。然后将GO/CNP干膜浸入抗坏血酸水溶液中进行还原处理，可以将GO层干净还原为还原氧化石墨烯(rGO)层，干燥后得到rGO/CNP双层异质膜。该薄膜还具有良好的耐水性和水相稳定性，CNP层中适量羟基的吸收和脱水引起的CNP层的溶胀和收缩，可以赋予非均质薄膜记忆变形特性(类似于环境湿度变化时松果球鳞片的开合)同时，由于rGO层具有良好的光热转换效应和焦耳热效应， 该异质薄膜具有良好的近红外光响应和电驱动，其电驱动响应速度可达1.875/s/v，是文献报道的同等重量的同类碳/聚合物基柔性执行器中最高的电驱动响应速度。 此外，异质膜的设计和制备简单，层间无需添加添加剂，易于大面积制备，克服了传统异质膜层间结合弱的问题，具有优异的使用耐久性和可回收性(折叠耐久性1000次，湿度稳定，电驱动500次循环)，具有广阔的应用前景

利用木质素的界面粘附性组装多刺激响应异质膜的策略研究，可为新型智能柔性执行器的设计和构建提供重要参考，木质纤维原料的有效利用更符合人类社会的可持续发展。相关研究成果发表在《化学工程杂志》上。研究工作得到国家自然科学基金、山东省自然科学优秀青年基金、青岛能源研究所自主部署基金的资助。(100yiyao.com)

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