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                    《科學通報》

                    開博時間:2019-09-06 16:50:00

                    《科學通報》是主要報道自然科學各學科基礎理論和應用研究方面具有創新性、高水平和重要意義的研究成果。報道及時快速,文章可讀性強,力求在比較寬泛的學術領域產生深刻影響。

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                    陰陽互補策略用于雙重響應驅動器的設計與制備

                    2020-12-06 21:39:00

                      在智能系統中,驅動器與傳感器并列為重要的兩類器件,各種各樣的傳感器負責感知外界信號,驅動器則可以根據周圍環境變化發生形變,將各種環境能量(例如: 光能、熱能、化學能等)轉換為機械能從而驅動相應的部件進行工作,是微機電系統(MEMS)、自適應光學、無人駕駛等應用前景中不可或缺的核心部件。在驅動器制備方面,普遍采取的方法是將多種具有不同物理/化學性質的材料組裝成雙層或多層結構。依靠不同材料對環境變化具有不同響應的特點,實現刺激響應驅動。通過這種方式,驅動器不需要耦合外部能量供給系統,可以直接從環境中獲得能量發生形變。目前,基于上述原理,多種功能材料(如聚合物、金屬、碳、生物材料等)對不同刺激(如光、溫度、pH、溶劑)敏感的雙層驅動器已經廣泛制備[1~3]。然而,這類雙層結構的驅動器通常僅對單一的信號敏感。在這類雙層結構驅動器的設計中,通常是依靠活性層的體積變化在異質材料界面處將產生應變失配,進而實現可控變形,而惰性層并無特定功能,例如濕度響應的氧化石墨烯執行器[4~6]。在設計雙重、多重響應的應驅動器時,通常的做法是簡單地集成兩個或多個雙層結構,這使得器件結構變得越發復雜。目前仍然缺乏普適性的設計方法來簡化多重響應驅動器的設計與制備。

                      以太極圖為代表的“陰陽互補”理論是中國傳承五千年的經典哲學,認為世界上所有事物之間都是相互依存、相互制約的,并且在“陰”“陽”中相對與互補。實際上,這種哲學概念在科學研究中同樣存在,只不過“陰”和“陽”可能具有不同的科學內涵,譬如: 材料科學中的二元協同互補、物理中的質子和電子、中醫藥中的陰虛和陽虛等[7~9]。2020年2月,清華大學孫洪波教授和吉林大學張永來教授、韓冬冬博士研究團隊[10]合作,受“陰陽互補”哲學理論啟發,將此策略應用于設計和制備具有雙向彎曲特點的雙重刺激響應驅動器,實現了器件結構的簡化以及性能的優化,效果十分顯著,相關成果以“A ‘Yin’-‘Yang’ complementarity strategy for design and fabrication of dual-responsive bimorph actuators”為題發表在Nano Energy上。研究者巧妙地用兩層材料在兩種不同刺激下的不同響應代指“陰”和“陽”,這兩種材料分別是納米石墨(Nano-G)和聚偏二氟乙烯(PVDF)的復合材料層(Nano-G@PVDF)與GO材料層,二者集成形成雙層結構。在濕度刺激下,因為GO對水分子敏感,GO作為活性層,表示“陽”; 而Nano-G@PVDF由于對水分子不敏感,作為惰性層,表示“陰”。相反,在光照刺激下,GO具有非常小的熱膨脹系數,作為惰性層,表示“陰”; 而Nano-G@PVDF具有相對較大的熱膨脹系數,作為活性層,表示“陽”。兩層材料互為補充,根據外界刺激類型的不同,分別作為活性層和惰性層用于濕度和光熱驅動,達到了相互依存、制約、互補進行雙重響應驅動的效果。此外,作者將“陰陽互補”的思想推廣到軟體機器人的制備,分別制備了雙向爬行機器人和智能機械手陣列,實現了對雙向可逆的驅動。這種以哲學思想指導科研工作的研究思路值得借鑒。


                      1 互補策略用于雙重響應驅動器的設計與制備[10]。(a) 制備過程; (b) 工作原理

                    文/張海霞

                    本文來自《科學通報》

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