智能薄膜,不知疲倦地“起舞”

文/张利东

 

无论是天然高分子材料(如纤维素、蛋白质、蚕丝、橡胶、淀粉等),还是以高分子为基础的合成材料(如各种塑料、合成橡胶、合成纤维、涂料等),都是惰性的、无生命的。
一旦赋予这些高分子“生命”,它们就可以自发舞动、发电,甚至像劳动者一样工作起来。这就是智能高分子材料——一种能感知外部刺激,作出判断并给予适当处理,且本身可执行的新型功能材料。

“有生命,会呼吸”的薄膜
上海华东师范大学张利东研究组,利用常见的琼脂糖高分子为原料,采用简单的物理杂合技巧,成功制备出可以在潮湿纸面上快速翻滚的高分子薄膜。
由于该薄膜化学结构上具有许多亲水基团,因此具有吸收水分子的特性。当该薄膜“吸入”潮湿空气中的水分子,可引发自身的膨胀形变;当薄膜“呼出”水分子,可快速恢复到原来形状。这种“呼吸”循环赋予惰性高分子强劲的“生命”力,可以让它们不知疲倦地动起来。
这种由化学能转变为机械能的方式,与动物的肌肉组织的工作方式非常相似。此种技术一旦成熟,通过大量类似材料堆叠成的可控“纤维束”,制造出能与机器人相媲美的“仿生人”便不再是神话。
张利东研究组同时发现,智能高分子薄膜不但可以“呼吸”潮湿空气而动起来,也可以“呼吸”丙酮蒸气让自己动起来。花瓣形状的双层薄膜吸收丙酮分子后,“花瓣”翩翩起舞,犹如一朵在风中摇曳的萝卜花。这是最新设计的聚偏氟乙烯和聚乙烯醇高分子双层膜的仿生形变。
该双层膜对丙酮分子的刺激具有极其敏感的响应性,并且通过快速“呼吸”丙酮蒸气,可实现双层膜的长时间连续定向形变,让惰性高分子不知疲倦地运动起来,可媲美自然界中复杂的运动方式。
利用此种仿生运动设计的薄膜传感器,可长时间连续监测环境中丙酮浓度。当环境中丙酮浓度过高时,传感器自发形变接通电路,电灯亮;当丙酮浓度逐渐降低时,传感器恢复到原来形状断开电路,电灯灭。利用电灯的变化,可告知环境中丙酮蒸气浓度的高低,从而极大地拓展了材料的应用潜质。
同时,该双层膜对于外界丙酮蒸气的刺激能够保持数小时连续可逆的响应,这为拓展刺激响应材料在能源、柔性传感器、人工肌肉、柔性机器人等领域的应用奠定了坚实的基础。

“能发电,会工作”的薄膜
有没有想过将来的某一天,人类可以摆脱对煤和石油的依赖,彻底解决环境污染问题?这不是天方夜谭,高分子智能薄膜可以帮助我们获取人类赖以生存的能量。这种能量的获取途径将是完全绿色无污染的,能量的来源来自取之不尽的潮湿空气。
利用一块只有10毫克的智能薄膜,通过“呼吸”潮湿空气可以驱动压电薄膜连续产生高达1.5伏的电压。通过特殊的能量转化装置设计,这种智能薄膜可以为各种便携式电子产品供电。如果扩大智能薄膜的用量,将产生更高的电压,满足各种需求。目前研究者正积极开发合适的能量转化装置,以实现大功率、高效率的能量转化。
智能薄膜不但能发电,也会工作。利用智能薄膜设计的柔性机器人,通过“呼吸”潮湿空气可以模拟起重机、抓土机等,自发吊起或抓起需转移的货物,可实现复杂环境下的危险作业。设计的柔性汽车,可快速跑起来,而动力的来源仅仅是潮湿的空气。

大有前途
未来,一方面可将此薄膜设计成仅对丙酮分子刺激敏感的传感器,用于化工企业中实时监测环境中丙酮浓度,及时预防丙酮对工作人员的伤害;另一方面,可以把这种薄膜结合能量采集、人工肌肉、柔性机器人等领域的实际需求,个性化设计适用于不同领域的具体产品。
以能量采集为例,如果利用智能薄膜持久运动的特性来发电,可极大拓展相关技术在自发电穿戴式、植入式电子器件方面的应用,而目前穿戴式、植入式行业已拥有超千亿市场规模。
我们期待智能薄膜产业应用的那一天早点到来,我们有理由相信那将势必掀起人类文明的又一次技术革命。
(本文作者张利东为华东师范大学教授,紫江青年学者,博士生导师。研究领域为智能高分子材料的制备及环境刺激响应性能研究。在国际知名杂志上发表了20余篇同行评议论文, 研究结果受到国内外媒体的广泛报道)

转载请注明 文章来源:《科学画报》

〖 欲看更精彩文章、图片,请购买科学画报。每月月初出版发行,铜板纸彩色印刷,每本仅售8.00元 〗 

 
《科学画报》2017© 版权所有 沪ICP备05024827号