仿生智能材料的可控运动

从1959年Feynmann提出纳米材料以来,功能材料层出不穷。但早期对纳米材料的研究多处于消极地位,后来由于智能材料的出现,对于材料的研究态度也逐渐有所转变。智能材料是指具有感知环境刺激后,能够采取一定的措施进行适度响应的材料。智能材料的构想来源于仿生,自然界中的生命已通过近四十多亿年的进化完成了智能操纵的所有过程,向自然学习并将自然界的特殊功能引入材料学必将是智能新材料发展永恒的主题。

      智能材料的目标就是研制出一种材料,使它成为具有类似于生物体所具有的各种功能的“活”的材料。110年前,Billard与Bruyant发现隐翅虫属的一类甲虫,可以通过从自身腹端小孔处向水面释放一种低表面能物质,从而推动自身运动。其机理与肥皂船类似,专业术语称Marangoni效应,即由浓度差异或温度差异引起表面张力梯度,其破坏了界面力的平衡,界面处低表面张力区域的分子向高表面张力区域扩散,这一区域液体受到挤压而转向液相主体,从而导致一体的对流,即Marangoni对流现象。

     近日,北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室的石峰教授正是在这类隐翅虫自发运动的启发下,设计并制备了一个由三个部分组成的功能协同系统。在前期工作的基础上,他们以超疏水船作为运动实物,在其尾部粘贴一个具有pH响应超疏水/超亲水转变特性的智能表面,该研究利用无电化学沉积的方法先在基底上构筑一层高粗糙度的金纳米簇,进而通过硫醇单分子的气相沉积修饰从而使成型基底分别具有超疏水性和pH响应超疏水/超亲水转变的特性。最后在两者之间附着一个装有低表面能物质的漏斗模拟隐翅虫腹腔储存物质的囊袋。当尾部的pH响应智能表面与碱性溶液作用后变为超亲水,导致事先储存的低表面能物质在水面的扩散,引起Marangoni效应,从而推动了该智能机器人的智能运动,Marangoni对流现象是引起智能机器人运动的直接原因。该研究结果发表于Small上(best online casino Beetles of Genus Stenus” href=”http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201203105/abstract” target=”_blank”>DOI: 10.1002/smll. 201203105)。研究中,功能协同系统有机地将三者结合起来,使三者协同作用,从而完成了由酸碱度控制的超疏水/超亲水可逆转变作为开关控制的超疏水船的智能运动。

    该研究不仅将仿生学引入到材料学发展进程中,更重要的是为从智能材料到功能协同系统的跨越提供了一个新的思路,即从生物获得启示,实现微观与宏观的统一,模仿生物特异功能的某一个侧面,实现材料的智能化设计,将材料与自然结合起来,并最终超越材料,超越自然,这将是向自然学习的新理念。

About 吴 思

项目组长,德国马普学会高分子研究所(Max Planck Institute for Polymer Research )。研究领域:刺激响应型聚合物;表面化学;光化学和有机-无机杂化材料。2005年在中国科学技术大学获得学士学位;2010年获得博士学位,为中科院与德国马普学会联合培养博士生。