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     特别报道
 
 
我会副会长彭慧胜课题组发现新型纤维状人工肌肉
 发布时间:2016/3/31 浏览次数:1591

    我校高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室、先进材料实验室彭慧胜教授课题组通过对碳纳米管的多级螺旋组装,成功制备了一种新型的纤维状人工肌肉材料,为实现高性能的驱动和敏感器件及应用提出了全新的思路。该项最新研究成果以“Hierarchically arranged helical fibre actuators driven by solvents and vapours”为题,于2015年9月14日,以“Article”的形式在线发表于Nature Nanotechnology(《自然纳米技术》,2014年影响因子34.048)。该论文第一作者为课题组博士生陈培宁,工作得到了国家自然科学基金委、科技部、上海市科委等项目的支持。

    应用前景:打开驱动和智能响应领域新境界

    家中的百叶窗可以根据环境变化自动打开和关闭;衣服可以在冷的时候变厚、热的时候变薄;义肢的反应灵敏度比人体肌肉还快……不要以为这是科幻电影和科幻小说里才会出现的情景,这是科学家们在“人工肌肉”材料领域研究的目标,有些目前甚至已经可以实现。

    彭慧胜课题组这次的研究成果就是围绕新型人工肌肉材料展开的,新的成果在驱动和智能响应领域中有巨大的应用前景。基于这种新型材料优异的驱动性能,通过巧妙的设计,研究团队将会把这种质轻、柔顺且导电的人工肌肉材料更多地利用于实际生产生活中。例如,制成可对不同溶剂蒸气具有选择性反响应的变形弹簧、发电机和智能织物等(图1, 2)。

    据彭慧胜教授介绍,这种导电的人工肌肉材料对溶剂响应具有很高的灵敏性和选择性,在工业生产和化学品储存中,可以用来探测毒性溶剂的泄露和预警。简单来说,在生产或储存过程中,有毒溶剂及其蒸气过量或泄露时,人工肌肉材料与危险溶剂或蒸气接触,会自动智能地伸缩或旋转,从而触动警报或安全阀门的开关,发出警报告知工作人员,或是关闭通道防止危险溶剂及蒸气进一步扩散,减少对人体的危害,将发生安全事故的可能性降到最低。

    下一步,研究团队将继续完善这项研究,并已经通过对纤维进行表面改性,实现了对水的收缩和旋转响应,并制成了可感应湿度变化的智能窗帘。窗帘可以通过感应湿度的变化,智能地展开或闭合,可以智能地调节展开的幅度大小,从而影响房间内的湿度变化。

除此之外,乙醇是当今一类已经广泛应用的新型生物质燃料,该类敏感材料在乙醇浸润下可产生高速的旋转驱动,其实质是表面能与动能的转化,进一步在纤维低端连接一个铜线圈并引入磁场,就可以用来产生电能,从而实现生物能-动能-电能的转化

全新突破:响应速度更快 运动形式多样

其实,科学界对人工肌肉材料的研究很早就开始了,但传统的人工肌肉材料多是基于功能性的高分子材料,其对溶剂的响应速度很慢,运动形式单一,只是简单的膨胀或弯曲,且不容易控制。彭慧胜团队使用的碳纳米管具有很高的比表面积,且质量轻,导电性好,在该领域取得了新的突破。

据彭慧胜教授介绍,这项研究首先是受植物内部螺旋结构的启发。自然界中,很多植物都会对外界环境(如湿度的变化)的刺激产生新奇的运动行为,如松果随湿度变化产生弯曲变形,种芒(seed awn)在潮湿土壤表面发生卷绕运动,以及丝瓜卷须的螺旋生长等。这些植物运动对植物繁殖生长、自我防卫和养料摄取等方面起着至关重要的作用。研究发现,植物内部纤维素微纤(Cellulose microfibrils)的螺旋排布是导致上述植物运动的结构基础(图3a, b)。

研究团队以具有高比表面积、优异的力学和电学性能取向的碳纳米管为基本单元,并对其进行多级螺旋构筑,在纤维内部形成了大量的纳米和微米尺度的管道结构,这种多级管道结构可以使溶剂快速高效地湿透到纤维内部(图 3c-h)。其对溶剂的响应速度比传统的高分子基敏感材料高三个数量级,并可以同时产生强劲的收缩和旋转运动。这种结构设计为制备高性能的智能响应材料和器件开辟了一个全新的思路。

当具有多级螺旋结构的碳纳米管纤维有机溶剂(如乙醇)及其蒸汽接触,可产生优异的扭转和收缩运动,该类纤维状人工肌肉还可以产生强劲的收缩响应,其收缩强度是人类骨骼肌的10倍,并可以在几十毫秒内完成,远高于目前传统的溶剂敏感材料的响应速度,也高于植物界响应最快的植物——食蝇草的“捕食”速度。进一步研究表明,通过多级螺旋构筑,纤维内部形成的大量微米级和纳米级的螺旋管道对纤维优异的旋转和收缩性能具有至关重要的作用(图 3e-i)。

精英团队:独立自主做科研 培养目标分阶段

据悉,彭慧胜教授2008年10月回到复旦大学工作,主要研究纤维状能源器件及敏感响应材料,迄今已发表学术论文130多篇(含接收),其中60多篇发表在Nature Nanotechnology、Nature Photonics、Angew Chem Int Ed、Adv Mater、J Am Chem Soc、Phys Rev Lett等6个国际权威学术期刊上。研究工作2次被Science、5次被Nature、10次被Nature子刊以“研究亮点”等专题报道,其中2009和2011年两度被 Nature 出版社评为月度“亚太地区十大研究亮点”。研究团队已申请国际国内发明专利52项,其中33项专利成功实现了技术转让。彭老师获得国内外学术荣誉31项,包括英国皇家化学会会士、美国杜邦青年教授奖、美国李氏基金会杰出成就奖、中国青年科技奖、国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者特聘教授等。

这样一个专业过硬、硕果累累的团队是如何炼成的呢?

彭慧胜说:“和研究生打交道很简单,我像对待儿女那样对待他们,所有研究的出发点都是为了他们的发展,他们感兴趣才做,而不是为了完成我的项目。我不要求也没暗示他们,每天应该工作多长时间,他们完全是自由的,按照自己的节奏和方式去做。学生能感受到你是真心付出为他们,他们做研究就会更加主动,也更有热情和创造力。”同时,彭慧胜也会在研究方法和思路上给予有效指导,在不同阶段侧重点又不同。比如博士生,在一年级,更加注意督促他们制定较高的研究目标和合理的研究计划,养成良好的实验习惯和培养写论文和作报告等综合科学素养;在二年级,则鼓励他们提出自己的研究想法,并独立开展研究工作,彭慧胜开始和他们平等地讨论其研究工作;到三年级,在他们从事的具体方向上,他们必须懂得更多,并且初步成长为一名独立的科学工作者。在每个阶段,彭慧胜都支持他们参加各种学术讲座和学术会议,今年开始鼓励学生去国外参加学术会议,开阔视野,更加有利于做出原创的研究。

彭慧胜教授鼓励课题组成员之间进行多种交流,倡导不同研究方向之间的交叉融合,打开思维的局限,拓展研究思路,提高研究效率。全体研究员已经养成固定的每两周开一次大组会的习惯,在会上,所有研究人员会一起讨论最近各个研究方向的研究进展,提出自己在研究中遇到的难题,经常是在与其他研究人员交流的过程中得到了灵感和启发。

提及与这篇Nature Nanotechnology论文第一作者陈培宁的交流和指导过程,彭慧胜表示,陈培宁现在已经展示出成为世界一流科学家的潜质,不仅仅因为他发了这篇论文。他学习能力非常强,接触到敏感材料这部分研究后,很快就了解了整个领域的发展现状,然后自己努力去探索。他发现了一些新现象,很有趣,就一头扎到里面。他还有一个非常好的优点,就是做什么都精益求精,把工作做到极致,在这个追求卓越的过程中提高了他自己的能力,也开拓了一些新的小方向。他工作也很有计划,效率很高。彭慧胜说:“作为导师,我先努力了解他的长处,然后就是全力以赴支持他,提供所有的资源,减少挫折感,让他高效率地工作,自由自在地工作,另外,在大的方向上提供建议。他挖到了好东西,自己想把它弄明白,我非常支持,这样一种精神应该保护和鼓励,它对于做出一流的工作很重要。”

 

 

 
 

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