柔性可逆驅動器，在柔性電子、軟體機器人等領域具有巨大應用潛力。混合離子/電子導體柔性薄膜驅動器近年來得到了廣泛關注。然而，由于離子和電子的傳導依賴于互斥的傳導機制，在柔性薄膜或水凝膠中實作高離子/電子導電性耦合，同時兼具高機械強度，是領域内的巨大挑戰。
近日，瑞典皇家理工學院（KTH）Lars A. Berglund教授團隊李崚灣博士聯合KTH Mahiar M. Hamedi副教授、中國海洋大學田維乾副教授以及美國德雷克塞爾（Drexel）大學Yury Gogotsi教授團隊合作開發了一種以納米纖維素為基體材料，具有高離子/電子導電性的高強度複合薄膜材料。該材料可在低電壓場（±1 V）産生可逆電滲析緻動效應，體積應變達到85%以上。該研究工作題目為“Ultrastrong Ionotronic Films Showing Electrochemical Osmotic Actuation”，目前發表在Advanced Materials上。該項研究涉及材料科學與工程、電化學、機械力學等多個領域學者的交叉合作，其中，瑞典皇家理工學院的Jowan Rostami博士、陳斌博士、Farsa Ram博士、Tobias Benselfelt博士、Torbjörn Pettersson副教授、Lars Wågberg教授、美國德雷克塞爾大學Armin VahidMohammadi博士（現任職于特斯拉）和Kyle Matthews博士參與了該項研究。
該工作提出了一種基于帶電、高縱橫比的柔性納米纖維素纖維（CNF）和二維碳化钛（MXene）納米片自組裝複合膜，CNF和MXene在液相自組裝過程排列成分層結構，并且在膜平面内高度取向（圖1）。MXene納米片具有良好的電子導電性，與CNF結合形成片層結構和離子通道，實作混合離子/電子導電性、機械強度和吸水性。将複合薄膜置于水中或其它溶液中浸潤後可形成力學性能優異的複合水凝膠（圖2）。該工作使用數字圖形相關技術（DIC）分析複合薄膜及其水凝膠的應力集中現象，探讨增強機理，與複合薄膜相比，複合水凝膠具有更大的斷裂拉伸應變和更均一的應變分布（圖3）。該複合水凝膠置于NaCl溶液中可以通過快速的電化學充放電實作可逆膨脹/收縮，當電勢差為±1 V，充放電時間為120秒時，膨脹率可達85%。該現象的機了解釋為電子/離子在水凝膠中的傳輸導緻滲透壓的變化，進而驅動水分子吸入或者排出水凝膠，導緻可逆體積形變（圖4）。
圖1：（a）MXene-CNF複合薄膜制備示意圖；（b）複合薄膜表面的AFM形貌圖；（c）複合薄膜SEM斷面結構；（d）X射線衍射二維譜圖；（e）一維X射線衍射峰；（f）複合薄膜中的MXene聚集片層結構表觀謝勒尺寸。
圖2：複合薄膜潤脹前後機械性能和混合電子/離子導電性能：（a）純MXene薄膜，純CNF薄膜，MXene-60%CNF複合薄膜，小尺寸MXene-60%CNF複合薄膜樣品的應力應變曲線；（b）複合水凝膠在水中和1 M NaCl溶液中充分潤脹後所含液體比例；（c）MXene-CNF複合水凝膠的應力應變曲線；（d）複合水凝膠的離子導電率及電子導電率；（e）本工作與前人相關研究資料對比：水凝膠的離子/電子混合導電性能與拉伸強度；（f）本工作與前人相關研究資料對比：水凝膠電子導電性能與拉伸強度。
圖3：DIC分析結果：（a）MXene和CNF薄膜在拉伸初始狀态及趨近斷裂時的應力分布；（b）MXene-40%CNF和MXene-60%CNF複合薄膜在拉伸初始狀态及趨近斷裂時的應力分布；（c）MXene-40%CNF和MXene-60%CNF複合水凝膠在拉伸初始狀态及趨近斷裂時的應力分布；圖中黑色箭頭表明材料最終斷裂位置。（d）拉伸過程各向異性程度變化曲線，薄膜樣品标号為純MXene薄膜 (1)，MXene-20%CNF (2)，MXene-40%CNF (3)，MXene-60%CNF (4)，MXene-20% CNF (5)，純CNF薄膜 (6)；複合水凝膠樣品标号為MXene-40%CNF (3-wet)，MXene-60% CNF (4-wet)，CNF(6-wet)。（e）（f）複合薄膜及複合水凝膠SEM斷面形貌圖。
圖4：電化學驅動性能：（a）三電極裝置和電化學滲透驅動原理圖；（b）MXene-CNF複合水凝膠在充放電之後的厚度變化圖；（c）不同充放電時間條件下所得水凝膠膨脹比例；（d）充放電過程吸入/排出的水分子量。該新型複合薄膜兼具良好的機械強度、電子/離子導電性，在軟體機器人、人造肌肉等領域存在潛在應用。該論文通迅作者為田維乾副教授，Lars A. Berglund教授和Max Hamedi副教授，第一作者為李崚灣博士和田維乾副教授。部分作者簡介：Lars A. Berglund教授現為瑞典皇家理工學院（KTH）纖維與聚合物工程系教授，瑞典皇家工程院院士，國際生物納米複合材料領域知名專家，2023年獲國際纖維素與可再生資源材料領域最高獎安塞姆·佩恩獎（The Anselme Payen Award）。迄今已指導博士研究所學生30餘名，在國際知名期刊發表論文150餘篇，論文被引用近4萬次。李崚灣博士現為瑞典皇家理工學院Lars A. Berglund教授團隊博士後，主要研究方向為高分子/納米纖維素基複合材料，X射線衍射等。共發表SCI論文30餘篇，論文被引用600餘次，近年來以第一作者/通訊作者在Advanced Materials，ACS Nano，Carbohydrate Polymers等國際知名期刊上發表論文10餘篇。田維乾博士現為中國海洋大學材料科學與工程學院副教授，入選泰山學者青年專家、山東省優青（海外）、中國海洋大學青年英才工程第二層次。從事纖維素納米纖絲基柔性結構(力電耦合）電極自組裝及應用。共發表SCI學術論文60餘篇，以第一作者/通訊作者的成果發表在Advanced Materials（3篇、1篇ESI高被引、1篇前封面）, Nature Communications, Chemical Engineering Journal（2篇）, Journal of Materials Chemistry A（2篇、1篇ESI高被引）, Carbon（2篇）等期刊上，H-index為25，被引2700餘次，中國發明專利1。部分研究成果被Nature Reviews Materials 2019, 4(10), 625專題報道，被KTH News, Phys.org等新聞報道。主持國家自然科學基金等項目5項，擔任Science Advances, Matter, Advanced Functional Materials, Carbon等10餘種國際期刊審稿人，Rare Metals, Battery Energy青年編委。--纖維素推薦----薦号--
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https://doi.org/10.1002/adma.202301163來源：高分子科學前沿