驰光而动——由碳基软材料制成的光敏致动器

探究结构-性能间的构效关系一直是智能材料与器件领域的关键问题。受自然智能系统的启发,各种外部环境刺激(电、热、光、磁、湿度、溶剂和pH值)下的响应性的机械运动,形状变形和外观变化都在能量转换和利用中起着至关重要的作用。众多研究人员在设计具有高效能量转换、超快响应以及大挠度的智能致动器及关键材料方面付诸了相当大的努力。在上述外部环境刺激响应中,光-尤其是太阳能,是一种清洁能源,具有易于开关切换和精确操作的特性。并且光敏致动的方式具有无线控制、光源丰富、特异波长选择性等优点。通常来说,光敏致动的能量转换的方式可分为光热致动、光化学致动、光电致动和光力学致动。目前存在的大多数光响应致动器都是基于光热致动机制而设计和开发的,这种致动器具有较高的能量转换效率、良好的重构性和稳定性。

为获得具有高能量转换效率和优异机械性能的光敏材料,确定行之有效的光致动机制对于开发先进的光敏致动器起着至关重要的作用。软材料作为人体的主要组成部分,易于受到外界刺激(尤其是热能)而变形。受此启发,研究人员设计了一系列基于软材料的光响应致动器,可用于软机器人、药物输送、电机和人造肌肉等各个方面。目前,最新开发的光敏致动器采用的有机软材料包括了形状记忆聚合物、弹性体、聚合物水凝胶、液晶(LCs)及生物高分子材料。但是,现有的光敏致动器的能量转换效率较低,光吸收不足、导热性差、机械强度差、功能性有限等缺点限制了其应用范围。与有机软材料相比,碳材料,特别是碳纳米管和石墨烯及其衍生物由于其优异的机械性能、良好的稳定性、易于功能化改性和复合、独特的光电性质、超高导热率等优势,成为了制备光敏软致动器最具吸引力的材料之一。而一些其他的碳材料如非晶态碳和石墨除了宽的光吸收带以及良好的电导率和导热性外,通常成本低且坚固耐用,这也使它们在光响应致动方面具有潜在的应用前景。更重要的是,碳材料可以很容易在改性之后与其他有机软材料复合形成具有更高灵敏度和快速驱动的刺激响应复合材料,并且可以避免红外(IR)和紫外(UV)等人工光源的限制,将复合材料的应用范围扩展到环保且无成本的自然光源(如直射太阳光)。在近几年的研究中,由碳基软材料制成的光致动器已经取得了巨大的成功。然而,目前关于碳基光致动器的研究进展和代表性的综述较少。

近日,中山大学化学学院余丁山教授和肯特州立大学先进材料和液晶研究所李全教授作为联合通讯人受邀在Advanced Optical Materials上系统地总结了近年来的零维、一维、二维和三维纳米碳基软材料的光敏致动器的研究进展。该论文结合第一性原理和实际的范例详细介绍了四个重要的致动机制,如光热效应,光电效应、光化学效应和光力学效应,并且剖析了四种致动机制的优点、缺点和使用范围。接着该论文基于四个不同的光敏致动机制,对碳基软材料,包括碳纳米管、石墨烯和其衍生物、无定形碳和石墨,及碳材料与其他软材料如液晶(LCs)、凝胶和形状记忆聚合物的复合软材料的结构设计、材料和器件特性关系进行了讨论。随后,进一步分析和介绍了一系列碳基光致动器的结构设计与优化、光致动性能和器件应用。最后,对此领域发展面临的挑战和机遇进行了总结性的展望,如在严酷的环境下(低温、高温、真空、腐蚀性)的操作可能性、具有更快的响应能力和更大挠度及多样化驱动形式的光敏致动器的开发、多功能一体化集成及可编程的光响应驱动器件的设计与制备都是未来光敏驱动器发展的趋势。

相关论文以“Photoresponsive Actuators Built from Carbon‐Based Soft Materials”为题在线发表在Advanced Optical Materials上(DOI: 10.1002/adom.201900069)。本文的共同第一作者为中山大学化学学院博士研究生杨美佳。