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  近年來，仿生光子軟致動(dòng)器因其在彎曲過程中的刺激變色而備受關(guān)注。光子軟致動(dòng)器的顏色來自于表面微納結(jié)構(gòu)（如光子晶體）對(duì)入射光的衍射、反射或干涉。光子軟致動(dòng)器可以實(shí)時(shí)感知環(huán)境條件，依靠結(jié)構(gòu)色準(zhǔn)確直觀地反映軟致動(dòng)器的細(xì)微變化。這類光子軟致動(dòng)器通常具備雙層或梯度結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)力來自于水凝膠對(duì)外部刺激響應(yīng)而形成的溶脹差，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)和可逆的形狀變化。在靶向轉(zhuǎn)運(yùn)、人工向光性、藥物篩選和交互傳感等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。然而，制備快速響應(yīng)、較大彎曲曲率和全彩色顯示的軟致動(dòng)器仍然面臨挑戰(zhàn)。

  鑒于此，大連理工大學(xué)精細(xì)化工系張淑芬教授和工程力學(xué)系的鄭勇剛教授合作，受寬尾蜂鳥羽毛的角度依賴結(jié)構(gòu)色和荷葉正反面不同潤濕性的啟發(fā)，提出了一種浸潤性調(diào)控的新型驅(qū)動(dòng)機(jī)制，通過疏水液體單向滲透觸發(fā)Janus薄膜的不對(duì)稱溶脹，實(shí)現(xiàn)定向彎曲。所制備的Janus薄膜由超疏水的銅微納陣列和弱親水的3D反蛋白石構(gòu)成。由于疏水液體在薄膜表面的滲透與擴(kuò)散之間的競爭，借助于拉普拉斯壓力，疏水液體可以從超疏水層穿過通道到親水層，但在相反方向上受阻。超疏水層的吸油溶脹導(dǎo)致Janus薄膜的定向彎曲，與此同時(shí)，親水層表面的反蛋白石顯示角度相關(guān)的變化的結(jié)構(gòu)色，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)過程中彎曲動(dòng)力學(xué)和應(yīng)力分布的自我報(bào)告。

圖 1. a)寬尾蜂鳥羽毛的結(jié)構(gòu)色、荷葉正反面的浸潤性及Janus膜的結(jié)構(gòu)示意圖; b) 由水下油滴單向滲透觸發(fā)的Janus膜的定向彎曲示意圖。

  如圖2所示，當(dāng)光子軟致動(dòng)器的親水層朝上時(shí)，對(duì)于通道處的油滴，泵壓（F_P）和重力（G）共同克服潤濕阻力（F_W）和浮力（F_B），油滴可以穿過Janus膜。一旦連通親水層和超疏水層，立即產(chǎn)生拉普拉斯壓差（P_L），形成“拉普拉斯通道”。由于通道被油膜覆蓋，潤濕阻力消失，拉普拉斯壓差促進(jìn)了油滴的快速通過，油滴在超疏水層迅速擴(kuò)散。由于超疏水層的吸油溶脹，Janus膜由超疏水層向親水層彎曲。當(dāng)光子軟致動(dòng)器的超疏水層朝上時(shí)，油滴在表面的擴(kuò)散效應(yīng)遠(yuǎn)大于滲透效應(yīng)，無法克服F_W和F_B，不能穿透通道，不能形成“拉普拉斯通道”。同樣，超疏水層的吸油溶脹導(dǎo)致Janus膜向親水層彎曲。

圖2. 油滴在薄膜表面的受力分析示意圖, (a) 親水層朝上, (c) 超疏水層朝上; 油滴體積和孔洞直徑對(duì)滲透的影響, (b) 親水層朝上, (d) 超疏水層朝上; 典型的 (e, f) 滲透和 (g, h) 擴(kuò)散過程；(i) 油水界面穿透通道后在疏水的銅微納陣列表面上的鋪展過程。

  如圖3a所示，通過光學(xué)顯微鏡觀察了超疏水層表面銅微納陣列的溶脹過程，溶脹后，銅陣列間距明顯增大。Janus膜正反面的不對(duì)稱溶脹最終促使軟致動(dòng)器彎曲。彎曲前，親水層表面的反蛋白石可在光源方向產(chǎn)生角度依賴的逆反射光（圖3b），初始入射角和觀察角分別為~60°和~50°時(shí)，親水層顯示綠色。彎曲過程中，由于不同弧度處的入射角和觀察角實(shí)時(shí)變化，對(duì)應(yīng)反蛋白石的逆反射發(fā)生變化，整個(gè)曲面顯示不同的結(jié)構(gòu)色。通過有限元模擬分析了超疏水層的頂部和底部的內(nèi)應(yīng)力分布變化。頂部內(nèi)應(yīng)力分布密度從邊緣向整個(gè)平面轉(zhuǎn)移，而底部內(nèi)應(yīng)力分布密度從Janus膜的長邊向四面轉(zhuǎn)移，與觀察到的結(jié)構(gòu)色的變化過程相似。利用結(jié)構(gòu)色可以揭示Janus膜彎曲過程中的相關(guān)動(dòng)力學(xué)過程，并可視化分析內(nèi)應(yīng)力的變化和轉(zhuǎn)移。

圖 3.(a) 光子軟致動(dòng)器的超疏水層溶脹前后銅微納陣列的顯微圖片; (b) Janus膜典型的彎曲過程和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)色; (c) 有限元模擬超疏水層頂部與底部的Mises應(yīng)力分布和傳遞；(d) Janus膜彎曲與恢復(fù)過程中曲率的變化；(e) 圖b中Janus膜彎曲過程中點(diǎn)1和2對(duì)應(yīng)的衍射光譜；(f) 圖b中Janus膜彎曲過程中點(diǎn)3對(duì)應(yīng)的最大衍射波長；(g) 圖c中相關(guān)點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度比值隨時(shí)間的變化。

  作為該驅(qū)動(dòng)機(jī)制的延伸，進(jìn)一步制作了快速響應(yīng)的Janus光子軟致動(dòng)器。這項(xiàng)工作為油液在水介質(zhì)中的定向輸送和分離提供了一種有效的策略，為下一代軟致動(dòng)器/傳感器的制備提供了靈感。同時(shí)，該研究為微智能材料設(shè)計(jì)中的參數(shù)設(shè)置提供了啟示和方法，在靶向轉(zhuǎn)運(yùn)、人工向光性、藥物篩選和交互傳感等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。相關(guān)成果近日發(fā)表在《Materials Horizons》上，DOI：10.1039/D1MH01693H。論文的通訊作者為大連理工大學(xué)張淑芬教授，第一作者為化工學(xué)院博士后齊勇。

  Biomimetic Janus photonic soft actuator with structural color self-reporting

  Materials Horizons

  作者：齊勇，周常通，邱一松，操先飛，牛文斌，武素麗，鄭勇剛，馬威，葉宏飛，張淑芬

  https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/mh/d1mh01693h