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北航程群峰教授團(tuán)隊(duì) Sci. Adv.：創(chuàng)制了MXene復(fù)合纖維人工肌肉
2025-01-09  來源：高分子科技

  人工肌肉在外界刺激下能夠發(fā)生收縮、旋轉(zhuǎn)等驅(qū)動(dòng)，因而在機(jī)器人、智能織物和假肢等領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。目前人工肌肉的制備材料，主要包括碳納米管纖維、聚合物纖維、液晶彈性體等，通常需要加捻或扭曲等復(fù)雜工藝，同時(shí)制備的人工肌肉存在響應(yīng)單一、收縮行程有限、驅(qū)動(dòng)力弱以及應(yīng)用場(chǎng)景受限等瓶頸問題。




  “科學(xué)探索獎(jiǎng)”2024年獲獎(jiǎng)人、北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授程群峰課題組2021年首次發(fā)現(xiàn)并實(shí)驗(yàn)證實(shí)了納米復(fù)合材料制備過程中因毛細(xì)收縮產(chǎn)生的孔隙缺陷結(jié)構(gòu)1。隨后，該課題組進(jìn)一步開發(fā)了有序界面橋聯(lián)1、納米限域2、液態(tài)金屬填充3、卷對(duì)卷輔助刮涂4等組裝策略，通過降低孔隙率，制備出了一系列高性能二維納米復(fù)合材料。近期，該課題組與德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校Ray H. Baughman院士合作，將MXene納米片實(shí)現(xiàn)纖維徑向排列，通過纖維素納米纖維（CNFs）調(diào)控MXene片層間孔隙率，創(chuàng)制了新穎的MXene復(fù)合纖維人工肌肉（MFAMs）5，探索了MXene納米材料在人工肌肉領(lǐng)域的應(yīng)用。

  MXene/CNFs復(fù)合納米片通過由窄變寬的紡絲針頭，巨大的膨脹應(yīng)力會(huì)消除紡絲過程中導(dǎo)致復(fù)合納米片軸向排列的剪切力，然后再經(jīng)過乙醇凝固浴，制備MXene納米片徑向取向的MXene復(fù)合纖維人工肌肉（MFAMs）。在25oC至125oC溫度范圍區(qū)間，MXene復(fù)合纖維人工肌肉可提起自身重量1000倍以上的物體，最大收縮行程為21%，做工能力達(dá)1.76 J g-1，是自然肌肉的45倍。原位變溫表征和模擬結(jié)果揭示了MXene復(fù)合纖維人工肌肉的收縮驅(qū)動(dòng)機(jī)制（圖1）。隨著溫度的升高，氫鍵網(wǎng)絡(luò)取向排列誘導(dǎo)MXene納米片層間距降低，從而導(dǎo)致MXene/CNFs復(fù)合納米片被拉平取向，這種“壓縮”效應(yīng)降低了孔隙率，實(shí)現(xiàn)了MXene復(fù)合纖維人工肌肉的收縮驅(qū)動(dòng)。


圖1：MXene復(fù)合纖維人工肌肉收縮驅(qū)動(dòng)的機(jī)理圖


  由于MXene具有優(yōu)異的焦耳熱和光熱轉(zhuǎn)換性能，MXene復(fù)合纖維人工肌肉在電熱和光熱刺激下也展示了快速且穩(wěn)定的響應(yīng)收縮驅(qū)動(dòng)性能，其收縮行程和做功能力高于其它非扭轉(zhuǎn)、熱驅(qū)動(dòng)纖維人工肌肉（圖2）。此外，具有非扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的MXene復(fù)合纖維人工肌肉具有高度可編織性，可以制備復(fù)雜形狀的驅(qū)動(dòng)器。例如，由4根MXene復(fù)合纖維連接的人工假肢在808 nm近紅外激光照射時(shí)可以驅(qū)動(dòng)自身重量2000倍的手臂200次以上，而8根MXene復(fù)合纖維組成的智能抓手則在照射近紅外激光時(shí)響應(yīng)收縮，可以實(shí)現(xiàn)玩具球的抓取、轉(zhuǎn)移和釋放。


圖2：MXene復(fù)合纖維人工肌肉（MFAMs）與其它非扭轉(zhuǎn)、熱驅(qū)動(dòng)纖維人工肌肉的驅(qū)動(dòng)性能對(duì)比圖（A），MFAMs在人工假肢上的應(yīng)用展示（B）


  這項(xiàng)開創(chuàng)性研究成果在人工肌肉領(lǐng)域具有里程碑的意義，其核心創(chuàng)新在于首次制備了MXene復(fù)合纖維人工肌肉，為解決人工肌肉響應(yīng)單一、收縮行程有限、驅(qū)動(dòng)力弱以及應(yīng)用場(chǎng)景受限等瓶頸問題提供了新思路。這一成果不僅拓展了MXene納米材料在人工肌肉領(lǐng)域應(yīng)用的知識(shí)邊界，也為二維納米材料的組裝與應(yīng)用研究提供了新方向。


  該工作得到國(guó)家杰出青年科學(xué)基金（52125302）、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFA0715700）、原創(chuàng)探索計(jì)劃項(xiàng)目（52350012）、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（22075009）及新基石科學(xué)基金會(huì)所設(shè)立的科學(xué)探索獎(jiǎng)的資助。


  論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt1560


來源：

1.Wan, S., Li, X., Chen, Y. et al. High-strength scalable MXene films through bridging-induced densification. Science 374, 96-99 (2021).

2.Yang, J., Li, M., Fang, S. et al. Water-induced strong isotropic MXene-bridged graphene sheets for electrochemical energy storage. Science 383, 771-777 (2024).

3.Li, W., Zhou, T., Zhang, Z. et al. Ultrastrong MXene film induced by sequential bridging with liquid metal. Science 385, 62-68 (2024).

4.Wan, S., Chen, Y., Huang, C. et al. Scalable ultrastrong MXene films with superior osteogenesis. Nature 634, 1103-1110 (2024).

5.Fu, J., Li, Y., Zhou, T. et al. Large stroke radially-oriented MXene composite fiber tensile artificial muscles. Sci. Adv. 11, eadt1560 (2025). 

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（責(zé)任編輯：xu）
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