基于两种化学能推动的智能器件的往返可控运动

AFMshifeng智能材料是21世纪一次划时代和深刻的材料革命,其独特的仿生物智能功能,在国民经济的各个领域中已展现出优越性能和广阔的应用前景,与此同时,智能材料发展也成为了一门新兴的多学科交叉的综合科学。随着人们对智能化要求的提高,智能材料逐渐的走入到我们的日常生活中,所谓的智能材料是指能感知环境条件并做出相应“反应”的材料,其行为源于生命体的智能反应。智能材料的发展前景非常广阔。一方面,其构想来源于仿生学,科学家们的目标就是想研制具有类似于生物各种功能的“活”的材料,因此智能材料必须具备感知、驱动和控制这3个基本要素。另一方面,一种材料的功能较单一,难以满足要求,为了解决这个问题,科学家研究采用2种或2种以上的材料复合来构成一个智能器件,通过外界环境的刺激,以此来实现一些复杂有序的运动,进一步将其应用于微型机器人的制备,细胞的操控,药物以及小分子的智能传输,智能发电等方面,这些均涉及到了材料学最前沿的领域,对智能器件的研究也代表了材料科学最活跃的方面和最先进的发展方向。但是,随着社会进步和经济的发展,对于如何使得智能器件按照人们的意愿去更好的完成一系列的运动过程仍然是一个挑战,因此如何实现多种材料的集成并依次实现其可控运动是研究的关键。

基于智能材料的发展过程,北京化工大学石峰教授领导的研究小组通过将两种或者两种以上的智能材料集成到一个体系中,组成一个智能器件,通过引入不同的化学能,使得智能材料依次发生作用,从而完成智能器件水平方向的开-停-开以及往返可控运动过程。具体而言,该智能器件的主要材料是泡沫铜,首先将其设计折叠成一个小船,通过无电电化学沉积技术在表面沉积银的微纳米结构,其次在此微纳米结构表面通过分子自组装技术修饰一种低表面能的十二硫醇;最后将pH响应性质镁条和双氧水响应性质铂片两种智能材料分别集成到超疏水船体的头部与尾部,从而组成一个智能器件;在酸性条件下,镁条与酸反应产生氢气,推动智能器件向前运动,当改变体系至碱性时,体系不在产生气泡,智能器件停止运动,当再次调节溶液至酸性时,产生的气泡会重新推动智能器件向前运动;除此之外,当智能器件在酸性条件下运动至终点时,通过改变体系至碱性并加入一定量的双氧水,智能器件尾部铂片会与双氧水反应产生氧气,从而推动智能器件向反方向运动。该工作不仅推动了功能协同器件这一概念的发展,同时也实现了智能器件的可控运动过程,为智能材料和材料科学的研究提供了一种新的思路,最终为智能材料向复杂功能集成体系的发展及应用提供了一种可能。相关文章发表在Advanced Functional Materials(doi/10.1002/adfm.201502447)上。