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文章导读
吸湿驱动材料在软体机器人、能量采集、智能传感等领域展示了广阔的应用前景。不同应用场景对材料的吸湿速度与吸湿能力需求不同，其中吸湿速率决定驱动的响应灵敏度，吸湿能力决定能量转化密度。近年来，研究人员对于提高材料吸湿能力以及吸湿速率也做了大量的工作，极大地丰富了材料的种类和应用场景。
河南大学纳米科学与材料工程学院鞠婕教授团队系统地总结了吸湿驱动材料的种类、结构、响应机理和应用方面的最新研究进展，为驱动器在即将到来的人工智能时代提供了巨大的潜力及发展空间。相关研究成果于2024年以“Research Progress on Moisture-Sorption Actuators Materials”为题发表在 Nanomaterials 期刊上。
图形摘要
主要内容
自然材料吸湿响应
自然界一直是科技发展的灵感源泉。比如，松果鳞片的张开或闭合以及燕麦芒的扭转运动，这些现象启发了科学家设计湿度响应薄膜驱动器。湿度响应薄膜驱动器可以感知环境湿度变化，并通过薄膜的非对称膨胀可逆地改变其形状或运动方式。基于这种响应能力，湿度响应薄膜驱动器可广泛应用于传感器、能量收集装置、仿生设备以及软体机器人等领域。了解自然驱动器的运行原理不仅有助于我们探索具有“智能”功能的生物模型，还有助于先进人工材料的开发。科学家对天然生物材料做了大量研究工作 (图1)，如胶原蛋白、丝素蛋白、纤维素、壳聚糖等，由于这些材料具备渗透性、可降解性、生物相容性和移植潜力，是制造柔性响应器件有前景的替代品。
图1. 生物基湿度响应材料种类和响应机理：(a) 猪皮胶原蛋白膜；(b) 丝素蛋白膜；(c) 细菌与真菌孢子；(d) 海藻酸纤维；(e) 琼脂糖。
人工合成高分子材料吸湿响应
受自然界生物启发，人造的湿度响应材料主要通过材料与水的相互作用 (静电相互作用、氢键、吸湿性等)，使材料在不同湿度下发生局部的体积膨胀或收缩，从而造成材料宏观形状、颜色、表面微结构等的变化 (图2)。这类材料可以通过对亲水基团的种类、数量和位置的调控实现水的吸附/脱附能力的可控调节；此外，还可以通过调节分子链的刚柔性以及结晶取向度实现驱动力的调控。因此，开发创新的湿度吸收聚合物对于绿色能源的有效利用具有重要意义。
图2. 人工合成高分子湿度响应材料：(a) 聚环氧乙烷与α-环糊精复合膜；(b) 聚吡咯与硼酸盐-多元醇组成的交联网络；(c) 聚离子液体膜；(d) 液晶聚合物；(e) 聚酰亚胺膜。
纳米材料吸湿响应
纳米材料具有独特的亲水性、金属导电性、可调的层间距和大比表面积的1D或者2D结构，使其在设计和制造自供电湿度传感器和驱动器方面具有广泛的可能性 (图3)。例如，碳纳米管 (CNTs) 具有1D管状结构，因其巨大的比表面积、出色的导电性、显著的机械强度而广受认可。石墨烯呈现出2D碳原子单层结构。当经过氧化和辐照等处理，石墨烯的各种衍生物能够显示出不同的物理特性，包括亲水性和导电性的显著变化。在这些衍生物中，氧化石墨烯 (GO) 具有很强的亲水性与高湿度敏感性，在湿度驱动中展现出优越的性能。此外，MXene (Ti3C2Tx) 是一种具有亲水性的新型2D纳米材料，这种特性使其在湿度响应型致动器和传感器的设计中具有广泛的应用。然而这些纳米材料组装膜由于超薄的结构和相对较弱的片间相互作用而显示出固有的缺点。在提高纳米材料组装膜的机械性能的策略中，最有效的策略是建造珍珠状的“砖-砂浆”结构。通常用作“砂浆”的增强材料包括有机聚合物、芳纶纳米纤维、金属纳米线和纤维素纳米纤维，它们可以与纳米材料形成强大的氢键作用，从而提高纳米材料组装膜的机械强度。
图3. 具备吸湿响应性的纳米材料：(a) 碳纳米管纤维；(b) GO烯纤维；(c) GO/RGO膜；(d) 碳氮化合物；(e) MXene膜；(f) RGO与聚多巴胺复合膜。
晶体材料吸湿响应
晶体智能材料由于其结构明确、孔隙率高、结构柔韧性好等优点，可以成为一种很好的候选材料 (图4)。通过对其结构的原位表征和分析，可以更方便地了解结构的响应机理。目前，柔性多孔晶体材料主要集中在第三代金属有机框架 (MOFs)，即柔性MOF，它具比表面积大、孔隙率高、孔径多级可调、骨架结构多样及可设计性等优点，使其对湿度响应灵敏，有望克服传统材料吸湿量少，形变度低的缺点。但是，晶体材料多以粉末微晶状态存在，这种状态使其具有脆性和较差的力学性能，因此无法将足够的能量转化为有用功，难以实现宏观智能体系的加工制备，继而限制了其在智能驱动领域的应用。针对上述挑战，将晶体材料与亲水性高分子进行共混复合，构筑了一种柔性的、自支撑的智能驱动膜可以显著提高机械性能。
图4. (a) 多孔有机晶体 (POCs)；(b) 金属有机框架 (MOFs)；(c) 金属有机多面体 (MOPs)；(d) 阳离子共价有机框架 (TG-DFP COF)。
应用
水分是自然环境中普遍存在的元素，充分开发空气中广泛且原始的水资源，会对当前全球资源危机产生深远而显著的影响。目前，已经出现多种基于水吸附的技术和材料，能够在空气、水和能源应用之间架起桥梁 (图5)。
例如，将形变产生的动能与压电材料或者磁电材料复合，实现将空气中湿度的扩散所蕴含的化学势能转化为电能，在新能源领域具有可观的应用前景。
有科学家利用吸湿驱动材料开发了智能纺织品。由于人类利用汗液蒸发进行冷却，热量和水分一起传递，促进人体与周围环境的相互作用。由此可见，湿热调节是个人体温调节的一种非常重要的方式。当环境温度过高时，皮肤上的汗液驱动湿度材料打开，皮肤直接与外界环境接触，进行水热交换。
此外，吸湿驱动材料在智能传感这一前沿领域展现出了极为丰富且多元的应用。在智能可穿戴设备方面，吸湿材料具有优异的透气性和生物相容性，能够监测人类呼吸和其他湿度相关行为，并及时反映健康信息。在智能家居方面，房屋温度调节主要用于室内外之间的湿气和热量交换，通常的做法是将吸湿驱动材料设计为窗户或天窗。基于吸湿驱动材料的房屋温度调节可以通过室内和室外湿度进行调节。当使用室内湿度调节时，亲水层朝向房间，最初处于拉伸状态。当室内湿度过高时，窗户在室内湿度的作用下向外打开。此时，可以进行室内外通风，以降低室内湿度。另外，将其制备成智能开关可实现湿度信号到电信号的转化。
图5. (a) 能量收集；(b) 智能穿戴；(c) 智能传感；(d) 水驱车；(e) 湿度响应窗；(f) 湿度开关；(g) 皮影戏在不同湿度环境中变化。
研究总结
亲水性是吸湿驱动材料的重要组成性质，吸湿驱动材料主要包括自然材料和人工合成材料 (纳米材料、晶体材料和高分子材料)，这些材料基本上依靠氢键或共价键与水分子形成连接，吸收水后会膨胀。本篇综述概括了吸湿驱动材料的最新研究进展，并总结了它们在不同领域的典型应用。
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阅读英文原文
原文出自 Nanomaterials 期刊
Zhang, D.; Ding, J.; Zhou, Y.; Ju, J. Research Progress on Moisture-Sorption Actuators Materials. Nanomaterials 2024, 14, 1544.
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