仿生人工肌肉材料是二十世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來的一類新型智能材料，正不斷地掀起全球科學(xué)家的研究熱潮，在航空航天、仿生機(jī)器人以及生物醫(yī)療等工程領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。離子聚合物-金屬復(fù)合材料（Ionic polymer-metal composites, IPMC），也稱為電化學(xué)驅(qū)動器，是一種典型的仿生人工肌肉材料。它是由兩層電極與離子聚合物組裝而成的三明治結(jié)構(gòu)，在電場作用下，依靠離子在電極界面的可逆脫嵌過程，實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。因其低電壓驅(qū)動、柔性大變形等特性，在軟體機(jī)器人、智能穿戴以及醫(yī)療器械等方面的應(yīng)用前景廣闊。
目前學(xué)術(shù)界公認(rèn)的IPMC材料驅(qū)動機(jī)制是電容致動機(jī)理，在驅(qū)動電壓刺激下，一定數(shù)量的離子在電極層中的預(yù)膨脹、嵌入、嵌出，引起電極材料的可逆膨脹與收縮效應(yīng)，這種效應(yīng)導(dǎo)致了驅(qū)動器的宏觀應(yīng)變。換言之，電極材料儲能越大，驅(qū)動效應(yīng)越強(qiáng)。基于此機(jī)制，各種高儲能的納米材料都被嘗試用作IPMC電極，驅(qū)動性能相比于傳統(tǒng)IPMC材料得到大幅提升，但是較實(shí)際應(yīng)用仍然存在較大的差距，曾經(jīng)一度成為人們難以理解的困惑。究其原因，儲能與驅(qū)動性能之間并不總是正相關(guān)的，它們之間存在一個能量轉(zhuǎn)換效率的問題。經(jīng)過大量的調(diào)研與探索，我們發(fā)現(xiàn)，電極的能量轉(zhuǎn)換效率主要由材料的電學(xué)特性、孔道構(gòu)型、分子結(jié)構(gòu)以及力學(xué)特性等復(fù)雜因素決定。因此，想要在驅(qū)動性能和應(yīng)用上取得突破，就必須發(fā)展新型納米結(jié)構(gòu)活性材料，探索新的儲能-轉(zhuǎn)換機(jī)制。
近期，中科院蘇州納米所陳韋研究員課題組與中科院北京化學(xué)所李玉良院士以及香港理工大學(xué)陶肖明教授等團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計制備了一種基于石墨炔新材料的電化學(xué)驅(qū)動器，并從石墨炔材料微觀分子驅(qū)動機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，到宏觀驅(qū)動器件的高能量轉(zhuǎn)換效率驅(qū)動特性，開展了全面系統(tǒng)的研究。提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種新型分子驅(qū)動機(jī)制—石墨炔烯炔互變效應(yīng)，該機(jī)制完全不同于傳統(tǒng)的電容驅(qū)動機(jī)制，它是基于可逆配位轉(zhuǎn)換效應(yīng)引起的材料結(jié)構(gòu)變化，如圖1所示。由于常規(guī)檢測手段（如：拉曼、紅外等）難以捕捉這一分子尺度的配位轉(zhuǎn)換效應(yīng)，于是，我們創(chuàng)造性的利用高靈敏的原位和頻共振光譜技術(shù)，從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了這一分子驅(qū)動機(jī)制，如圖2所示。正是由于這種活性功能單元的作用，石墨炔IPMC柔性電極不僅表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)儲能特性，同時，也表現(xiàn)出電-機(jī)械能量轉(zhuǎn)換能力。石墨炔驅(qū)動器比電容高達(dá)237 F g-1，倍率特性良好，換能效率高達(dá)6.03%，遠(yuǎn)高于同類電化學(xué)換能器件，能量密度高達(dá)11.5 KJ m-3, 與哺乳動物生物肌肉能量密度相當(dāng)，將電化學(xué)驅(qū)動器的性能提升到了一個新的水平，如圖3所示。相關(guān)成果已發(fā)表在《自然—通訊》雜志上（Nature Communications, 2018, 9, 752）。
圖1 基于石墨炔材料的烯炔互變分子驅(qū)動機(jī)制示意圖
圖2 利用原位和頻共振光譜技術(shù)驗(yàn)證石墨炔材料烯炔互變分子驅(qū)動機(jī)制
圖3 石墨炔電化學(xué)驅(qū)動器性能表征
感謝蘇州納米所國際實(shí)驗(yàn)室藺洪振老師在和頻光譜方面的合作。該工作得到國家自然科學(xué)基金、江蘇省科技計劃項(xiàng)目(產(chǎn)業(yè)前瞻與共性關(guān)鍵技術(shù))，中國科學(xué)院國際合作重點(diǎn)項(xiàng)目等的資助。
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