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北京化工大学潘凯研究员课题组:非对称结构、纯氧化石墨烯薄膜的湿度驱动器
2018-07-25 来源:中国流变网    点击次数:307次    

  智能驱动器即是指可以自发的将外部刺激(温度、湿度、光等)转化为机械运动的装置。氧化石墨烯(GO)因自身富含亲水性能的含氧官能团,故常被用来制备湿度驱动器。利用不同材料在湿度条件下吸水溶胀的差异性,将氧化石墨烯(GO)与其他材料结合制得Janus结构薄膜,是制得湿度驱动器常见的方法。不过,Janus薄膜的制备一般略为复杂,对两种材料间的粘接性要求也极为严格。

  近日,为突破传统Janus薄膜湿度驱动器的限制,北京化工大学潘凯研究员课题组成功制备了一种基于非对称结构、单纯氧化石墨烯(AGO)薄膜的湿度驱动器。对氧化石墨烯薄膜的微观结构进行设计调控,形成一侧为褶皱层(AGO-W)、一侧为相对平滑层(AGO-S)的非对称结构。这种结构上的非对称设计使得氧化石墨烯薄膜在湿度相对较低时,向褶皱层一侧弯曲形变;湿度相对较高时,则向平滑层一侧弯曲,表现出较为快速平稳的响应速率,及高于传统湿度驱动薄膜弯曲角度的宏观大形变量。

图1:非对称氧化石墨烯膜湿度驱动器的制备

  这种非对称结构、纯氧化石墨烯(AGO)薄膜的制备方法简单易操作,即将GO悬浮液均匀涂覆在预拉伸的弹性基底表面并干燥,利用弹性基底的应力释放回缩,形成褶皱层,随后在褶皱层表面再次涂覆GO悬浮液至褶皱层完全覆盖,以形成平滑层,待完全干燥后剥离即可。

图2:非对称结构、纯氧化石墨烯薄膜的SEM图片及拉曼表征

图a:AGO光滑面SEM图;图b、c:AGO褶皱面SEM图;图d、e:AGO断面SEM图;图f:AGO拉曼表征谱图;

  从SEM图中可看出,AGO-S表面相对光滑,而AGO-W表面有着紧凑有序排列的褶皱结构,使得GO膜有着明显的结构非对称性;同时,断面图中可观察到褶皱层及平滑层之间存在一定的空腔结构,这都为湿度条件下AGO膜的宏观大形变量奠定了一定基础。

图3:非对称结构、氧化石墨烯薄膜的实物图及驱动机理

图a:AGO膜光滑面及褶皱面实物图;图b:AGO膜在低湿度及高湿度下的弯曲形变;图c、d、e:AGO膜的湿度驱动机理;

  与其他湿度驱动材料相比,GO具有丰富的含氧官能团,表现出优异的吸湿性能。AGO膜在湿度条件下发生的响应形变关键就在于GO吸水或解吸时的体积变化,高湿度时,GO表面的含氧官能团与水分子结合产生氢键,GO片层间由于层间水的存在而膨胀;反之低湿度时,层间失水,氢键遭到破坏,层间距继而变小。同时AGO因两侧的微观非对称结构,在吸水或失水时表现出体积变化量的差异,使得AGO膜受到相反方向的驱动力,最终形成高低湿度下方向不同的弯曲大形变。

  以上相关成果已发表在Nanoscale(DOI: 10.1039/c8nr01785a),通讯作者为潘凯研究员,第一作者为研究生邱远游,研究生王铭锑作为共同第一作者。

  论文链接:http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2018/nr/c8nr01785a

 
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