双层材料“互为阴阳”：可响应湿度、光照两种信号的双重响应驱动器

本文由北京大学张海霞教授撰写，发表于《科学通报》“亮点述评”栏目，介绍清华大学孙洪波教授和吉林大学张永来教授、韩冬冬博士研究团队的近期成果：双层材料“互为阴阳”，集成为双重响应驱动器，可在湿度、光照两种不同刺激下驱动机器人运动。

在智能系统中，驱动器与传感器并列为最重要的两类器件，各种各样的传感器负责感知外界信号，驱动器则可以根据周围环境变化发生形变，将各种环境能量（例如: 光能、热能、化学能等）转换为机械能，从而驱动相应的部件进行工作，是微机电系统(MEMS)、自适应光学、无人驾驶等应用前景中不可或缺的核心部件。

在驱动器制备方面，普遍采取的方法是将多种具有不同物理/化学性质的材料组装成双层或多层结构。依靠不同材料对环境变化的不同响应，实现刺激响应驱动。通过这种方式，驱动器不需要耦合外部能量供给系统，可以直接从环境中获得能量发生形变。目前，基于上述原理，多种功能材料（如聚合物、金属、碳、生物材料等）对不同刺激（如光、温度、pH、溶剂）敏感的双层驱动器已经广泛制备[1~3]。

然而，这类双层结构的驱动器通常仅对单一的信号敏感。在这类双层结构驱动器的设计中，通常是依靠活性层的体积变化在异质材料界面处将产生应变失配，进而实现可控变形，而惰性层并无特定功能，例如湿度响应的氧化石墨烯执行器[4~6]。在设计双重、多重响应的应驱动器时，通常的做法是简单地集成两个或多个双层结构，这使得器件结构变得越发复杂。目前仍然缺乏普适性的设计方法来简化多重响应驱动器的设计与制备。

以太极图为代表的“阴阳互补”理论是中国传承五千年的经典哲学，认为世界上所有事物之间都是相互依存、相互制约的，并且在“阴”“阳”中相对与互补。实际上，这种哲学概念在科学研究中同样存在，只不过“阴”和“阳”可能具有不同的科学内涵，譬如：材料科学中的二元协同互补、物理中的质子和电子、中医药中的阴虚和阳虚等[7~9]。

2020年2月，清华大学孙洪波教授和吉林大学张永来教授、韩冬冬博士研究团队[10]合作，受“阴阳互补”哲学理论启发，将此策略应用于设计和制备具有双向弯曲特点的双重刺激响应驱动器，实现了器件结构的简化以及性能的优化，效果十分显著，相关成果以“A ‘Yin’-‘Yang’ complementarity strategy for design and fabrication of dual-responsive bimorph actuators”为题发表在Nano Energy上。

互补策略用于双重响应驱动器的设计与制备[10]。(a) 制备过程; (b) 工作原理

研究者巧妙地用两层材料在两种不同刺激下的不同响应代指“阴”和“阳”，这两种材料分别是纳米石墨(Nano-G)和聚偏二氟乙烯(PVDF)的复合材料层(Nano-G@PVDF)与GO材料层，二者集成形成双层结构。在湿度刺激下，因为GO对水分子敏感，GO作为活性层，表示“阳”; 而Nano-G@PVDF由于对水分子不敏感，作为惰性层，表示“阴”。相反，在光照刺激下，GO具有非常小的热膨胀系数，作为惰性层，表示“阴”; 而Nano-G@PVDF具有相对较大的热膨胀系数，作为活性层，表示“阳”。两层材料互为补充，根据外界刺激类型的不同，分别作为活性层和惰性层用于湿度和光热驱动，达到了相互依存、制约、互补进行双重响应驱动的效果。

此外，作者将“阴阳互补”的思想推广到软体机器人的制备，分别制备了双向爬行机器人和智能机械手阵列，实现了对双向可逆的驱动。这种以哲学思想指导科研工作的研究思路值得借鉴。

参考文献

1 Yu X W, Cheng H H, Zhang M, et al. Graphene-based smart materials. Nat Rev Mater, 2017, 2: 17046

2 Poppinga S, Zollfrank C, Prucker O, et al. Toward a new generation of smart biomimetic actuators for architecture. Adv Mater, 2018, 30: 1703653

3 Le X X, Lu W, Zhang J W, et al. Recent progress in biomimetic anisotropic hydrogel actuators. Adv Sci, 2019, 6: 1801584

4 Han D D, Zhang Y L, Liu Y, et al. Bioinspired graphene actuators prepared by unilateral UV irradiation of graphene oxide papers. Adv Funct Mater, 2015, 25: 4548–4557

5 Mu J K, Hou C Y, Wang H Z, et al. Origami-inspired active graphene-based paper for programmable instant self-folding walking devices. Sci Adv, 2015, 1: e1500533

6 Ji M Y, Jiang N, Chang J, et al. Near-infrared light-driven, highly efficient bilayer actuators based on polydopamine-modified reduced graphene oxide. Adv Funct Mater, 2014, 24: 5412-5419

7 Fang R C, Liu M J, Jiang L. Progress of binary cooperative complementary interfacial nanomaterials. Nano Today, 2019, 24: 48–80

8 Xia J L, Jiang L. Dialectics of nature: Temporal and spatial regulation in material sciences. Nano Res, 2017, 10: 1115–1124

9 Hu Q N, Yu T, Li J H, et al. End-to-end syndrome differentiation of Yin deficiency and Yang deficiency in Traditional Chinese Medicine. Comput Meth Programs Biomed, 2019, 174: 9–15

10 Zhang Y L, Ma J N, Liu S, et al. A “Yin”-“Yang” complementarity strategy for design and fabrication of dual-responsive bimorph actuators. Nano Energy, 2020, 68: 104302

【来源：科学通报】

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