模拟潜艇可下潜/上浮的智能器件

Diving–Surfacing Cycle Within a Stimulus-responsive Smart Device Towards Developing Functionally Cooperating Systems

智能材料可以响应外界刺激在化学(或物理)性质上发生动态或可逆的变化,从而在很多领域得到广泛的研究。纳米材料自问世以来,已经经过了被动纳米材料向智能材料/智能表面的发展,并朝着系统级纳米系统迈进。

智能材料的研究极大的推动了纳米科学领域的发展,但是在目前,由智能材料向智能体系的发展仍然是一个挑战,因此如何实现多种纳米材料与智能材料的集成并实现其功能协同是研究的关键。基于纳米材料的发展过程,北京化工大学石峰教授领导的研究小组提出了功能协同的智能系统这一新的概念,即通过将两种或者两种以上的智能材料或者智能表面集成到一个体系中,使其依次发生作用,相互协同,完成一个复杂的任务。

在此概念的基础上,他们制备了一种模拟潜艇可下潜/上浮的智能器件。其下潜/上浮过程是基于pH响应性和过氧化氢响应性功能协同作用。该器件首先由泡沫镍金属折叠成无缝连接的立方体,进一步利用无电金属沉积技术(electroless metal deposition)和自组装单层膜(self-assembly monolayer)的方法实现pH响应性智能表面的制备。在环境溶液呈酸性(pH=1)条件下,器件表面的超疏水性使其浮在水面上,当调节溶液的pH值由酸性到碱性(pH=13)条件时,器件表面由超疏水转变为超亲水,溶液通过多孔表面进入内部,从而实现其下潜过程;进一步将碱性调回酸性,并在体系中加入过氧化氢,由于器件内部铂丝催化过氧化氢放出氧气,结合表面的超疏水性从而推动其上浮;上述过程可以循环重复进行。该工作有利于推动功能协同智能系统及微器件的发展,同时也为研究纳米科学开辟一条新的途径,最终为智能材料向系统级纳米系统的发展搭建桥梁。

Y. Gao et al., Adv. Mater. 2010 ; DOI: 10.1002/adma.201001577

撰稿:北京化工大学教育部纳米材料先进制备技术与应用科学重点实验室