鑽石舞台

背景介紹

通過二維材料自組裝所得到的三維宏觀材料在各個領域都有着廣泛的應用。想要成功製備高性能宏觀組裝材料，其構築單元即二維片材的精確結構調控是必不可少的。多尺度褶皺是二維片材組裝成的三維材料中的固有特徵，且褶皺調控主導了這一組裝過程。因此了解二維片材在組裝過程中的變形行為，並對其進行精確褶皺調控是實現在宏觀組裝材料中充分發揮二維片材理想性能的中心思路。目前，人們對二維片材在平面上組裝時的褶皺演化已有了充分的認識，但在更加普遍的曲率表面上組裝時的褶皺行為依然沒有得到充分理解。二維片材與曲面間的曲率不匹配特性是本徵的，理解這一本徵因素影響下的褶皺行為有利於加深對二維片材褶皺模式的理解，並指導曲面上宏觀材料的製備。

成果簡介

以氧化石墨烯為實驗模型，發現了二維氧化石墨烯片在平面、球面和柱面三種典型表面上組裝時分別表現出各向同性的龜裂大地、迷宮和各向異性的窗簾圖案的褶皺模式。提出了二維片材與目標曲面間的曲率不匹配是褶皺模式選擇的起源。搭建了一個基於統計的描述框架，實現複雜褶皺圖案幾何特徵的數學描述並追蹤褶皺的演化過程。所提取的三個角度參數有效地區分了曲面上的曲率失配程度，定量地評價了曲面上形成褶皺的各向異性。統計分析表明，曲率的增加會產生更短的褶皺。建立了還原氧化石墨烯纖維的褶皺特徵與力、電學性能之間的良好聯繫。通過曲率設計控制褶皺特徵，製備了具有功能性表面的石墨烯塗層和花粉狀顆粒，其具有選擇性的潤濕性和抗反射性能。

氧化石墨烯的褶皺模式依賴於曲率，為二維片材在更一般的曲面上和在自支撐形式中的組裝機制提供了新的基本理解。在平面二維片材和目標表面間引入的曲率失配豐富了精確調製多尺度褶皺結構的方法。

圖文導讀

圖1 三種典型表面上的褶皺模式選擇。通過主曲率和高斯曲率對三種表面進行區分，二維氧化石墨烯片在平面、球面和柱面三種典型表面上組裝時分別表現出各向同性的龜裂大地、迷宮和各向異性的窗簾圖案的褶皺模式。

圖2 曲率表面上的褶皺製備。將氧化石墨烯溶液浸塗在水凝膠表面，利用水凝膠乾燥收縮提供驅動力製備褶皺。

圖3對三種褶皺模式進行統計分析。目標表面各向異性程度也影響着褶皺模式的各向異性程度。所提取的三個角度參數對三種模式有着良好的區分。三種表面上的褶皺模式都遵循屈曲的基本能量分布關係。

圖4 柱面上對褶皺行為的分析，表明曲率的增加使得褶皺長度變短，並使得一級褶皺的波長增長。

圖5 分析柱面上軸向應變對褶皺行為的影響。軸向應變的增加逐步破壞原有的高度取向的褶皺。因此控制拉伸比可以實現調控還原氧化石墨烯纖維表面褶皺，並建立了褶皺特徵參數與力、電學性能的良好聯繫。

圖6 通過曲率設計控制褶皺特徵，製備了具有功能性表面的石墨烯塗層和花粉狀顆粒，其具有選擇性的潤濕性和抗反射性能。

作者簡介

K. Li, Z. Han, L. Wang, et al. Wrinkling modes of graphene oxide assembled on curved surfaces. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4895-0.

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背景介紹

人工肌肉可響應外界刺激而產生形變，這種與生物肌肉相似的特性，使得其近年來在智能軟體機器人、柔性可穿戴器件、新型醫用設備等領域得到迅速的發展。人工肌肉種類繁多，其中電化學驅動的人工肌肉以易於控制、低工作電壓、高機械輸出能力等多種優勢而備受關注。近年來，研究人員致力於提升該類人工肌肉的驅動量、輸出力、響應速度等特性，進展迅速。然而，開發生物相容性良好、可在生物體內環境下工作的電化學人工肌肉仍是一個巨大的挑戰。

成果簡介

中科院蘇州納米所李清文/邸江濤課題組提出了一種基於碳納米管/導電聚合物的複合人工肌肉纖維，該人工肌肉紗線在低驅動電壓下於生物相容性環境（體液、生理鹽水等無機電解液）中有效工作並產生較大的驅動行程和輸出應力，且具有良好的循環穩定性，非常適合於仿生醫學等應用。首先，以浮動催化化學氣相沉積法製得的碳納米管窄帶（CNTribbon）為載體，通過浸漬-原位聚合的方法將聚苯胺（PANI）引入到碳納米管窄帶中，形成CNT@PANI核殼結構的複合窄帶，並對窄帶加捻得到複合人工肌肉纖維。複合纖維保留了碳納米管纖維的多孔結構和優越的柔韌性。其次，由於碳納米管纖維的雙電層電容特性，具備一定的電荷存儲與釋放能力，在電荷注入時可導致一定的體積膨脹。然而在無機水系電解液中，由於較低的電壓窗口、無機鹽較小的離子尺寸使得這種體積變化並不顯著。PANI的引入很好地解決了這個問題，PANI具有贗電容特性，其可逆氧化還原反應將導致額外的變形，通過聚合物和電解質之間的離子和溶劑的交換，以達到電荷和滲透平衡。由於PANI的電容增強和低氧化還原電位，複合肌肉纖維可以在體液環境中產生17%的收縮行程（接近於人體骨骼肌的20%收縮行程）和約8 MPa的收縮應力（遠高於骨骼肌的0.35 MPa）。即使在-0.25 V的超低電壓下，複合纖維仍然能有效工作並產生1.7%的拉伸行程，遠優於已報道的無機環境工作的人工肌肉。最後，將 CNT/PANI 複合肌肉纖維應用在仿生手臂、水下起重機和仿生蝦上，以模仿天然肌肉的功能，展示出了可植入 CNT/PANI人工肌肉纖維的應用潛力。

圖文導讀

圖1. 複合人工肌肉纖維的製備過程：(a) PANI在CNT窄帶上的原位聚合；(b)-(c) 複合窄帶捲曲、加捻成螺旋纖維。

圖2. 複合人工肌肉纖維的形貌表徵：(a) 複合人工肌肉纖維的低倍SEM圖；(b)-(c) 原始CNT窄帶與複合PANI後的窄帶的高分辨SEM圖片對比；(d) 複合纖維的截面SEM圖；(e) PANI在CNT表面聚合後的高分辨TEM圖。

圖3. 複合人工肌肉纖維與純CNT纖維在0.01 mol/L PBS模擬體液中的電化學驅動性能對比：(a) 複合纖維的驅動-時間響應特性；(b) 複合纖維與純CNT纖維在不同工作電壓下的驅動量對比；(c) 在−1V到+1 V的方波電壓下，複合纖維的驅動量的頻率依賴性；(d) 複合纖維與純CNT纖維在不同負載下的驅動量、做功能力的對比；(e) 不同負載下產生的收縮應力對比；(f) 不同工作電壓下產生的收縮應力對比。

圖4. 複合人工肌肉纖維的工作機理分析：(a) PANI的氧化還原贗電容在複合纖維中產生形變的示意圖；(b) 壓電化學光譜法測定複合纖維人工肌肉的零電荷電位；(c)-(d) 原始CNT纖維和複合肌肉纖維在-0.8 V~1 V 的CV掃描曲線（掃速5 mV/s）與比電容倍率特性曲線

圖5. 複合人工肌肉纖維的應用展示與循環穩定性：(a)-(b) CNT/PANI 複合肌肉纖維作為仿生肌腹應用於仿生手臂示意圖及其在PBS緩衝液中和胎牛血清中驅動手臂彎曲的應用展示；(c) 複合人工肌肉纖維的循環穩定性測試。

作者簡介

J. Qiao, Y. Wu, C. Zhu, et al. High-performance carbon nanotube/polyaniline artificial yarn muscles working in biocompatible environments. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4910-5.

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