物理所在水驱动下的碳纳米管复合纤维致动器研究中取得进展

摘要: 　　致动器是一种能够在外界信号源的驱动下产生一定的位移响应或提供力学输出的器件，亦称人工肌肉。这种器件将其他形式的能量转化为机械能，其种类及应用都十分广泛。例如，大家熟知的电动机就是一种典型的电致动器 ...

　　致动器是一种能够在外界信号源的驱动下产生一定的位移响应或提供力学输出的器件，亦称人工肌肉。这种器件将其他形式的能量转化为机械能，其种类及应用都十分广泛。例如，大家熟知的电动机就是一种典型的电致动器。此外，用于制造卫星天线的形状记忆合金、产生精准位移的压电陶瓷等，也都可看作是致动器。
　　碳纳米管是一种具有多方面突出性能的碳纳米材料。学习者们利用碳纳米管优异的力学强度和柔韧性、较高的电导、较强的光吸收能力等优良特性制备了各种各样的致动器。以输出的运动形式来分类，主要有碳纳米管/高聚物双层弯曲致动器、碳纳米管/凝胶电解质/碳纳米管三层弯曲致动器，以及碳纳米管（复合）纤维扭转致动器。其中，弯曲致动器一般是依靠电或光的激励，使器件两端发生非对称的体积形变，进而引起整体结构的弯曲；而扭转致动器则是基于螺旋结构的纤维体积膨胀后产生解旋运动，同时往往还会伴随轴向的提拉运动。相比传统的电动机而言，这些器件具有结构和工艺更加简单、便于微型化等优势，在人工智能、生物医疗、微传感器等诸多领域具有广阔的应用前景。
　　针对碳纳米管纤维扭转致动器，以往较多的学习集中在利用电热效应、光热效应或电化学离子嵌插效应引发致动。最新的工作则注意到碳纳米管对酒精、丙酮等有机溶剂的亲和性，通过液态或气态溶剂的直接激励，使器件产生十分显著的扭转行为。受自然界中诸多湿度致动现象的启发，如松果的鳞片会随着空气湿度的变化而关闭或张开、某些植物种子上的须刺因昼夜湿度的交替变化将种子推进到更深的土壤层，学习者们也希望利用轻质、高强度的碳纳米管纤维结构制备出由最常见的无机溶剂——水驱动的扭转致动器。然而，碳纳米管本身是一种疏水材料，这意味着原始碳纳米管构建的纤维不会对水产生有效的响应。虽然可以采用等离子体辐照的方式对碳纳米管进行亲水性处理，但是这将在一定程度上破坏碳纳米管的分子结构，引入较多的缺陷，从而降低了力学强度。此外，这种方法只能修饰结构表面的亲疏水性，而内部的疏水性几乎不会改变。
　　中国科学院物理学习所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）先进材料与结构分析实验室“纳米材料与介观物理”学习小组（A05组）多年来一直致力于碳纳米材料的制备、物性与应用基础学习，取得了一系列学习成果。该组马文君早在2007年就发展出了一套宏观碳纳米管薄膜的生长工艺（Nano Lett.， 2007， 7， 2307–2311）。这种较大尺寸、自支撑、性能优异的碳纳米管网络可以十分方便地被拧制成直径和匝数密度可控的纤维样品。为避免等离子体处理的破坏作用，近期，该组中科院院士解思深指导的博士生谷孝刚与该组博士生范庆霞、学习员周维亚等人采取一种新的思路：将碳纳米管网络作为骨架，选用亲水性材料包覆的方式来实现对原始结构的改性。经过对比，PEDOT:PSS这种材料不仅对水具有非常高的敏感度和吸收能力，而且在水环境中能够保持长时间的稳定性，另外还能通过π-π键相互作用与碳纳米管发生较为紧密的结合。这种CNT/PEDOT:PSS复合纤维致动器展现出很好的水（湿度）致动性能。特别地，通过限制纤维的扭转运动，可以极大地提高轴向的提拉输出，其能量密度和提拉应力可达到96.9 J/kg和39 MPa，分别约是动物肌肉的12倍和110倍。在湿度较高的条件下，由于碳纳米管和PEDOT:PSS都是导电材料，器件还可以实现快速、大幅度的电致动。这种新型复合纤维致动器在湿度传感、发电、微流体搅拌等方面具有潜在的应用前景。相关学习结果发表在Nanoscale (2016， 8， 17881 - 17886)上。
　　该工作得到了科技部、国家自然科学基金委和中科院等项目的支持。

　　图1 (a) 复合纤维的制备过程; (b) 致动机理示意图; (c) 不同桨叶质量下的扭程和提拉应变。

　　图2 复合纤维的扭转和提拉致动性能测试。(a) 激光位移传感器记录桨叶的扭转运动; (b) 扭转致动的循环稳定性测试; (c) 玻璃片限制桨叶扭转 ; (d) 复合纤维提拉自身重量~ 11，309倍的重物，最大应变 ~ 9.4% ; (e) 复合纤维的提拉应变和功率密度随桨叶质量的变化关系; (f) 提拉致动的循环稳定性测试。