稳态强磁场实验装置用户揭示并阐明新型柔性光驱动器原理
时间 : 2021-03-10     

近日,稳态强磁场实验装置(SHMFF)用户合肥工业大学吴玉程教授团队的胡颖研究员,与中科院上海硅酸盐所王冉冉研究员、南京工业大学武观副教授等合作,借助SHMFF的变温X射线衍射仪(XRD)对设计制备的基于非对称层状微观结构MXene薄膜柔性光驱动器中的柔性薄膜材料进行了研究,揭示并阐明了该光驱动器的原理。研究成果以“Self-Locomotive Soft Actuator Based on Asymmetric Microstructural Ti3C2Tx MXene Film Driven by Natural Sunlight Fluctuation”为题在线发表于ACS Nano。  

自然界中存在多种多样的能量源,比如太阳光、风、湿度等等。大自然中许多动植物已经进化出能够感应外部环境的自然能源变化并产生相应机械运动的能力。例如,由于太阳辐射引起的茎两侧的不对称伸长;向日葵可以追踪太阳的运动;果蝇能够感知并向光源方向飞行,产生趋光运动。通过模拟具有环境刺激响应特性的生物体,发展能够利用自然环境中的能源来产生自主运动而无需人工能源和人工控制的柔性驱动器与智能微型机器人。这些研究在工业、环境检测和军事等方面具有重要的应用前景,但仍是一个挑战。针对挑战,该研究团队设计制备了基于非对称层状微观结构MXene薄膜的柔性光驱动器。  

为了揭示和阐明该柔性薄膜的光驱动器原理,研究团队借助SHMFF的变温XRD设备对该器件中的柔性光驱动薄膜材料的微观结构进行了研究。研究发现,该薄膜上表面和下表面的(002)衍射峰分别在5.9°和6.3°,表明该薄膜上下层的层间结构具有不对称性;薄膜上下层都可以吸附水分子,但是上层吸附的水分子更多,其层间距更大(图1a)。对I-MXene薄膜的变温XRD研究表明,上下层的层间距都随着温度的升高而减小,这是由于温度的升高会导致插层中的水分子发生解吸附作用,但是上下层的解吸附作用的强度是不同的(图1b)。当温度从25℃升高到100℃,上层的层间距从14.9埃减少到13.2埃,而下层从14.1埃减少到13.0埃(图1c),上层的层间距变化比下层的大,并且上层在温度升高后所产生的变形比下层大。这些实验结果都表明了上层具有更好的亲水性从而可以吸收更多的水分子。上下表面的层间距的不同造成上下表面对光照的机械响应不同,导致了薄膜在光照下的曲率变化不同,从而造成光作用下快速的弯曲变形。  

文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c10797 

 
    
图1:(a)基于非对称层状MXene薄膜的柔性光驱动器材料的微观结构示意图;(b)上下层随温度变化的XRD谱;(c)上下层的层间距随温度的变化