石墨烯智能驱动材料成就机器人游泳健将

智能材料可以在感应到外部的刺激(如热、电、光、磁、化学等刺激)后发生形状或体积的变化,把外部刺激的能量转化为材料的机械运动和机械能。智能材料已经被广泛的应用于制备感应开关、机器人、人造肌肉、假肢、形状记忆材料等,也引起了科学家和工程师的广泛关注。智能材料设计、制造、加工和性能结构特征不仅涉及到化学、物理、材料等学科的交叉领域,还代表了这些学科的最前沿领域,而智能材料也成为了目前科学研究中最活跃方面和最先进的发展方向。根据刺激种类的不同,可以将智能材料分为电驱动材料,热驱动材料,光驱动材料,磁驱动材料等。其中,电驱动材料能够在电的刺激下发生很明显的形变,从而将电能转换为机械能,在科研领域及实际应用领域都表现出较好的研究热情和应用潜力。目前,在电驱动材料研究领域,研究者们或多或少会面临以下问题,如响应速度太慢,驱动电压太高,形变量小,稳定性差等等。发展高性能电驱动材料任然面临很大的挑战。

石墨烯(graphene)自问世以来就以其优异的机械性能,电学性能和物理、化学稳定性而备受青睐,在电驱动材料方面也展露出了巨大的前景。聚偏氟乙烯(PVDF)因其优良的反压电效应和独特的电致伸缩特点,在微纳米电机械系统里一直有着普遍的应用。另外,聚偏氟乙烯还具有高的热膨胀系数,这与石墨烯形成鲜明的对比。

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南开大学材料科学与工程学院研究团队将石墨烯和聚偏氟乙烯的特点结合起来,通过抽滤石墨烯溶液成膜,然后在石墨烯膜上旋涂PVDF溶液的方式,制备出来一层石墨烯,一层PVDF的双层驱动器,该方法操作简单,可大量制备。由于石墨烯和PVDF具有悬殊的热膨胀系数,在接通电路之后,石墨烯层会吸收电能,并产生很大的焦耳热,从而使得PVDF有着很大的热膨胀量,以促使双层驱动器朝着石墨烯一侧弯曲。再加上,PVDF具有很好的反压电效应和电致伸缩效应,在电场的作用下,PVDF就具有很好的形变能力,因此这也提升了双层驱动器的驱动性能。相比于已有的电驱动材料,该graphene/PVDF双层驱动器同时具有低驱动电压,高形变量,低响应时间等性质,可以在13 V,262 ms下产生14 mm的大形变量。更重要的是,该研究团队受到海豚游泳的启发,首次设计了基于石墨烯智能驱动材料的鱼形机器人,成功实现了“鱼”的快速、可控游动。该项研究为基于石墨烯的智能材料和器件的设计开拓了新的领域,在微机器人,人工肌肉,智能开关等高技术领域具有很好的应用前景。相关论文在线发表在advanced science上。

此项工作得到国家自然科学基金,科技部973计划,天津市自然科学基金的资助。

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