高超：手性石墨烯纤维构筑的高灵敏度溶剂驱动系统

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浙江大学的高超教授团队提出了一种手性控制规则，成功将生物材料的手性控制理念赋予到高灵敏度溶剂驱动系统的制备中。他们从已经工业化的纺纱技术得到灵感，以柔性氧化石墨烯薄膜为原料，将其加捻成具有螺旋状织构的氧化石墨烯纤维，赋予其对称的手性结构、高柔韧性和大量的应力势能。这种手性的氧化石墨烯纤维在极性溶剂的刺激下释放出应力势能，从而发生高速的转动。其输出的转速、扭矩以转动能等指标均超过了之前报道的同类驱动器。团队以这种纤维为单元，将不同手性的单元按照特定的顺序进行组合，接连开发出高灵敏度的动能输出系统、电能输出系统和重力势能收集系统。更重要的是，这种手性控制设计理念还能扩展到多种维度的纳米粒子和高分子材料中，具有良好的普适性。该工作以“Handedness-Controlled and Solvent-Driven Actuators with Twisted Fibers”为题发表在Materials Horizons上。

自然界中的很多生物材料，如DNA、肌动蛋白、胶原蛋白、角蛋白等，是由具有螺旋型的单元细胞重复组装而成。这种对手性单元进行多级组装的方式，能使材料具有极佳的力学性能和环境适应性。例如，由右手性的双螺旋球状肌动蛋白组成的纤维状肌动蛋白可以使肌肉在张力下保持刚性，在扭转作用下保持弹性。由左手性的基元螺旋纤维向右手方向扭转组装而成的超螺旋结构，可以使胶原蛋白具有可靠的抗损伤能力和韧性。如何在微米尺度设计出类似的手性结构，并将这种结构的带来的优良特性赋予到人工材料中仍存在着巨大的挑战。溶致驱动器在能源收集，智能织物和软体机器人等领域具有巨大的应用前景，它们在特定的液体刺激下能发生多种形变，从而长生驱动能力。

已经报道的溶液驱动系统仍然在一下几个方面受到限制:（1）实用性，具有实用性的驱动系统需要具有在复杂的工作环境下工作的能力，并展示出多种驱动模式和精确的能量输出，这一点很少得到解决。（2）可加工性，大多数业已开发的驱动系统其基元需要苛刻的加工工艺，更是需要繁杂的净化系统来去除杂质，且生产设备的产能极低。（3）工作效率，目前报道的大多数驱动系统，其能量转化效率都不高，这是因为没有找到对溶剂响应快，能量输出能力强的构筑单元。

以一种合理有效的理念制备出成本低、效率高的溶剂驱动系统是一个困扰了研究人员很久的难题。高超教授课题组提供了一种手性控制原则，将DNA、肌肉蛋白和胶原蛋白等生物材料的手性结构赋予到溶剂驱动以通中来，解决了这个问题。该团队针从氧化石墨烯分散液出发，采用纺纱工艺制备出柔韧的手性氧化石墨烯纤维，这种纤维能在多种溶剂刺激下发生快速驱动。以这种纤维为单元，构筑了高灵敏度的动能、电能和重力势能的能量收集系统。进一步的，研究人员将这种理念拓展到其它维度的材料中，在未来具有非常好的应用前景。

该研究工作获得国家自然科学基金及科技部重点专项基金的资助，论文第一作者为浙江大学高分子科学与工程学系纳米高分子高超课题组的博士生方波。

文献链接：

Handedness-Controlledand Solvent-Driven Actuators with Twisted Fibers (MaterialsHorizons, 2019, DOI: 10.1039/C8MH01647J)