河海大学王延杰课题组《AFM》综述：水分响应驱动器

文摘 2024-11-01 15:01 吉林

水以固态、液态和气态三种形式在地球上构成了一个巨大的循环网络，其中含有不可估计的可回收能量。从气态水中获取能源对促进能源升级具有重要意义，但同时也具有很强的挑战性。水分响应驱动器（moisture-driven actuator，MDA）的出现为水能量向机械能的转化提供了一种有效的途径。MDA可以通过自身材料的吸湿性与水分子结合，并在吸湿溶胀后产生宏观变形。由于湿度的广泛分布和无线的驱动模式，MDA在环境监测、远程控制和能量采集等领域显示出巨大的应用潜力。为了给MDA的设计、制备和应用提供指导，河海大学、江苏省特种机器人技术重点实验室王延杰团队在先进功能材料领域权威期刊《Advanced Functional Materials》上发表了题为“Moisture-Driven Actuators” (https://doi.org/10.1002/adfm.202412254) 的综述文章。

该综述系统总结了MDA在材料、结构、制备方法、多响应集成和应用方面的最新研究进展。首先，重点介绍了用于MDA的亲水性材料类型，包括二维无机材料、自然提取聚合物材料、合成聚合物材料以及自然材料，并对比了不同材料的吸湿特性与对应MDA的驱动性能。其次，分析了MDA的常用结构及相应的变形特性，包括单层结构、双层结构与可编程结构。然后，总结了MDA亲水层的制备方法以及限制层的结合策略，并讨论了如何在不同功能层中添加新的材料以实现多响应集成，包括光驱动、电驱动、磁驱动和湿致变色。最后，回顾了MDA在微型抓手、仿生机器人、热管理和能量采集等领域的典型应用。最后，分析了MDA所面临的挑战并提出了相应的解决方案，为MDA下一阶段的发展指明了方向

河海大学博士研究生唐刚强为文章第一作者，河海大学王延杰教授为通讯作者，英国斯旺西大学Lijie Li教授为论文的共同作者。该工作得到了国家自然科学基金（52475296）、教育部联合基金（8091B032250）等项目的资助。

该工作是团队近期关于湿度响应器件相关研究的最新进展之一。近年来，团队对湿度响应器件（湿度传感器与湿度驱动器）的机理、制备、性能改进与应用进行了一系列的探索。在湿度传感器领域，团队解析了离子型湿度传感器的传感机理（Sensors & Actuators: B. Chemical 2021, 345, 130421），提出一种离子型湿度传感器的快速制备工艺（RSC Adv., 2020, 10, 27447–27455），利用电极物理喷涂工艺实现了离子型湿度传感器的性能优化（Polymers 2023, 15, 733），并实现了湿度传感器在呼吸监测（RSC Adv., 2023, 13, 28613）与酒后检测（Sensors & Actuators: A. Physical 2024, 366, 114894）领域的应用。在湿度驱动器研究方面，团队提出了一种基于离子聚合物的湿度驱动器，实现了大变形与快响应速度（Sensors & Actuators: B. Chemical 2023, 393, 134152），通过结合离子聚合物和羧化碳纳米管开发了高性能的湿度/光双响应驱动器（ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 10.1021/acsami.4c12202）。

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI4ODE4NDAwNw==&mid=2655158832&idx=1&sn=57f0777c54d49e40f4bb929dd135d993

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