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湿度梯度快速响应氧化石墨烯膜弯曲时可举起8倍自身重量的物体

发表时间:2018/6/13

自然界中众多植物都可以巧妙地利用空气中的水分来产生伸缩、弯曲、扭曲等运动,达到播撒、捕食等目的。其机理在于此类植物拥有多层细胞,其中一些细胞层对湿度敏感,另一些细胞层则不会对湿度变化做出反应。当植物与水汽相遇,受湿度影响的细胞层将会伸展或膨胀,这一现象称为干缩湿胀。例如,松果的鳞片在潮湿时紧闭,干燥时则打开,使其内部的种子传播得更远。



进一步的研究发现:植物中对湿度变化敏感的材料通常为纤维素纤维。环境湿度的变化使纤维素纤维产生不对称的溶胀,植物发生运动。但是这种运动相对缓慢,一个简单的弯曲伸直过程可能需要花费一整天甚至几天时间。因此科学家们一直致力于寻找一种能够对环境湿度快速响应的材料。此外,自然界及模拟自然界植物制备的湿度敏感材料通常为双层结构,即一层为敏感层,一层为惰性层。然而,这样的双层结构通常会产生界面不稳定的问题。

近日,苏州大学的研究团队开发了对环境湿度梯度快速响应的均一单层氧化石墨烯(GO)膜,弥补了上述缺陷。众所周知,GO由于含有丰富的含氧官能团,可以吸收水分使层间距增加而产生膨胀。当膜的尺寸与厚度相匹配时,均一的单层GO膜内部会产生由湿度梯度导致的膨胀梯度,从而产生变形。GO膜对湿度响应非常迅速,响应时间仅为0.1秒左右。


环境湿度梯度快速响应的均一单层氧化石墨烯制备过程及实物图


研究人员发现,当GO膜放在手心时,基于皮肤表面的湿度,薄膜会发生弯曲,而放在戴手套的手上则不会出现此现象。当手指靠近膜时,膜会向远离手指的方向弯曲,说明薄膜对环境湿度的变化非常灵敏。更加有趣的是,将GO膜放在湿润且略微加热的滤纸上,高温加速了水在GO膜内的传输,则会出现连续的翻滚现象,大约每秒翻滚一次,就像GO膜在滤纸表面“舞动”一样。




研究人员还发现,这种GO膜对环境湿度变化响应的现象也可用于对外界做功。GO膜弯曲时可以将比自身重量重8倍左右的物体在8 s内抬高0.8 cm的高度。功率密度为0.64 J/Kg,能量密度为0.08 W/Kg。



这项工作为制备基于单层GO膜的高效驱动器提供了一种新颖而简便的策略。相关成果近期发表在"Chemical Communications"上。原文标题为“A bio-inspired homogeneous graphene oxide actuator driven by moisture gradients”。

(来源:X-MOL)