【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】Janus薄膜由于具有不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的物理或化學(xué)性質(zhì)，在傳感、驅(qū)動(dòng)、能源管理和先進(jìn)分離等方面表現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。
 

　　其中，仿生柔性皮膚由于兼具靈敏感知、驅(qū)動(dòng)和功能集成等特點(diǎn)，已經(jīng)引起了人們廣泛的研究興趣。為實(shí)現(xiàn)這些特定的功能，需要選擇合適的活性功能材料并以可控的方式形成不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。碳納米材料由于具有優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能、本征機(jī)械柔韌性、高化學(xué)和熱穩(wěn)定性、易于加工等優(yōu)點(diǎn)，是一種極具應(yīng)用前景的活性材料。
 

　　碳納米材料和功能聚合物以可控方式進(jìn)行不對(duì)稱結(jié)合可以促進(jìn)高性能傳感、驅(qū)動(dòng)和集成器件的設(shè)計(jì)，從而推動(dòng)智能軟體機(jī)器人的發(fā)展。因此，迫切需要對(duì)碳基Janus薄膜的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行全面總結(jié)，并深入討論表面/界面結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，以指導(dǎo)其在柔性智能設(shè)備中的應(yīng)用。
 

　　中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊(duì)陳濤研究員、肖鵬副研究員基于在碳基/高分子Janus薄膜的構(gòu)筑及其柔性傳感和驅(qū)動(dòng)方面的長期研究基礎(chǔ)，受邀在Accounts of Materials Research上發(fā)表題為“Carbon-based Janus Films Toward Flexible Sensors, Soft Actuators and Their Beyond”的綜述文章(Acc. Mater. Res. 2023, DOI: https://doi.org/10.1021/accountsmr.2c00213), 系統(tǒng)總結(jié)了碳基Janus薄膜的制備策略、結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系以及傳感和驅(qū)動(dòng)及其一體化集成器件應(yīng)用方面的研究進(jìn)展，并對(duì)該領(lǐng)域的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。
 

　　在該綜述中，作者首先討論了幾種常見的碳納米材料(例如，碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯和還原氧化石墨烯、石墨和炭黑等)的基本性質(zhì)和優(yōu)缺點(diǎn)，以此來引導(dǎo)人們根據(jù)所需的性能和應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的材料。隨后介紹了碳基Janus薄膜通用的制備策略，并根據(jù)制備過程中基底不同，將其分為固體支撐的物理和化學(xué)策略以及液體支撐的界面策略。其中，重點(diǎn)討論了不同的設(shè)計(jì)原則和表面或界面結(jié)構(gòu)以及性能之間的關(guān)系，以此來指導(dǎo)設(shè)計(jì)高性能器件。具有不對(duì)稱功能耦合的碳基Janus薄膜進(jìn)一步通過構(gòu)建特殊表面微結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高性能電子皮膚的開發(fā)，同時(shí)還能以支撐和自支撐構(gòu)型用于非接觸式感知。此外，由于碳納米材料優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)化以及濕度響應(yīng)性能和聚合物層的功能可設(shè)計(jì)性，碳基Janus薄膜在高性能光熱驅(qū)動(dòng)、濕度驅(qū)動(dòng)以及多刺激響應(yīng)驅(qū)動(dòng)器中取得了巨大進(jìn)展。基于碳材料優(yōu)異的導(dǎo)電和傳感性能，碳基Janus薄膜還可以設(shè)計(jì)成自感知軟體驅(qū)動(dòng)器，極大推動(dòng)了智能軟體機(jī)器人的發(fā)展。
 

　　盡管碳基Janus薄膜在傳感、驅(qū)動(dòng)和一體化柔性器件的開發(fā)中得到了長足的發(fā)展，但仍然存在一些問題和挑戰(zhàn)亟需解決。首先，碳納米材料應(yīng)用到植入式傳感或驅(qū)動(dòng)器件中時(shí)，需要考慮和生物相容性材料進(jìn)行復(fù)合或者對(duì)器件進(jìn)行封裝來降低毒性風(fēng)險(xiǎn)。其次，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)和精確的傳感信號(hào)反饋，需要進(jìn)一步提高兩相界面的結(jié)合強(qiáng)度。同時(shí)，賦予碳基Janus薄膜多功能性，例如自愈合、抗腐蝕、耐高溫、抗凍等，以增強(qiáng)其在復(fù)雜、惡劣環(huán)境中的適應(yīng)性。不僅如此，還需探索高效易得的方法以實(shí)現(xiàn)碳基Janus薄膜可控圖案化，來構(gòu)建高精度、定位傳感器和可編程的多階段驅(qū)動(dòng)器。最后，為實(shí)現(xiàn)碳基Janus薄膜的大規(guī)模生產(chǎn)以及推動(dòng)其在智能軟體機(jī)器人中的發(fā)展，結(jié)合可擴(kuò)展的界面制備策略和先進(jìn)的打印以及卷對(duì)卷加工等技術(shù)似乎是一種不錯(cuò)的選擇。
 

　　該論文得到了國家自然科學(xué)基金(52073295)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2022YFC2805204、2022YFC2805202)、國家自然科學(xué)基金委中德交流項(xiàng)目(M-0424)、浙江(之江)實(shí)驗(yàn)室開放研究項(xiàng)目(No.2022MG0AB01)、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(QYZDB-SSW-SLH036)、王寬誠教育基金(GJTD-2019-13)等項(xiàng)目的支持。(中科院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 周偉)
 

基于先進(jìn)制造技術(shù)構(gòu)建碳基Janus薄膜用于傳感、驅(qū)動(dòng)及其一體化智能柔性器件