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上??萍即髮W凌盛杰教授課題組《Adv. Sci.》:利用強拉柞蠶絲構筑強韌濕度驅動器
發布:lee_9124   時間:2020/1/23 11:33:44   閱讀:248 
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纖維驅動器具有環境響應和傳感功能,在可穿戴設備、生物傳感器和人工肌肉等諸多新興領域受到廣泛關注。近年來,由合成聚合物、石墨烯、碳納米管、形狀記憶合金制備的一系列纖維驅動器,可由濕度、溫度或電化學驅動并顯示出快速的響應能力,但上述各類纖維的機械性能、生物相容性及生產成本難以達到平衡。而自然界中存在許多性能優異的纖維微驅動器。如蜘蛛絲,不僅在機械韌性上超過了大多數傳統材料,同時牽引絲可被濕度驅動產生扭轉變形超過300°/mm。這類天然材料為我們開發優化纖維驅動器材料提供了新的思路。
 
 
 
蜘蛛牽引絲所制備的纖維驅動器具有獨特的濕度驅動行為,其扭轉變形比其他傳統的纖維微驅動器(如導電聚合物驅動器(0.01°/mm)和形狀記憶合金纖維微驅動器(0.15°/mm))高數千倍。然而蜘蛛無法被馴養,無法實現大量生產。凌盛杰教授團隊提出了使用強拉柞蠶絲(FRSFs)替代蜘蛛絲制作高性能纖維驅動器。

他們通過一種速度可控的力繅絲方式,可以從中獲得連續紡長大于1km的均勻柞蠶絲纖維。這種強拉柞蠶絲(FRSFs)在機械強度和延伸性方面做出了權衡,以致其機械韌性幾乎是柞蠶繭絲(CSFs)的兩倍,甚至可以與蜘蛛絲相媲美。通過高分辨掃描電子顯微鏡(HRSEM)、小角度和廣角X射線散射(SAXS/WAXS)和同步輻射傅里葉變換紅外顯微光譜(micro-SFTIR),揭示了FRSFs中納米纖維不僅在取向度上明顯高于柞蠶繭絲(CSFs),其纖維間界面結合與堆積也比柞蠶繭絲(CSFs)強得多。 
 
 
 
圖 1. FRSF的力學性能。a)三種不同柞蠶絲典型應力應變曲線。強拉柞蠶絲FRSF;柞蠶繭絲CSF;柞蠶自然吐在平面板上的絲PSF. b)拉伸速度為2 mm min-1時CSFs和FRSFs的應力-應變曲線。c)FRSFs與其他天然和合成材料的比強度和比剛度的比較。d)不同天然纖維和合成纖維的纖維密度、強度、楊氏模量和韌性的比較。

利用紗線紡紗技術將FRSFs組裝成具有可編程驅動功率(0.77-2.1W/kg)的雙螺旋微驅動器。FRSFs纖維驅動器的形狀梯度與表面粗糙度使得他們能夠對濕度作出快速反應。在4.8秒內,絲纖維微致動器可以達到6179.3°/s的最大旋轉速度,這樣的響應速度(1030r.p.m.)大于由棉、亞麻毛或Tunel32制成的濕度驅動微驅動器,甚至能與由電操作的碳納米管微驅動器相媲美。該微驅動器的平均驅動功率為2.1W/kg,是蠶繭絲纖維驅動器的兩倍。FRSFs微驅動器出色的驅動性能讓其成為多種應用的潛力選擇。該團隊展示了如何使用這些FRSF微驅動器來促進傷口愈合。
 
 
 
圖 2. a) 基于FRSFs的微驅動器制造工藝示意圖。b) 2、5、10股微驅動器的掃描電鏡圖像。c) 自制的水霧驅動FRSF微驅動器性能檢測裝置。d) 微驅動器工作過程的圖像(p為螺距)。e) 驅動微驅動器時旋轉角度與時間的關系。f) 促進傷口愈合的微驅動器示意圖。g)微驅動器促進傷口愈合的過程。h) 顯微鏡下提取水凝膠的微驅動器。

該團隊進一步研究了FRSF微驅動器的驅動機理:表面粗糙度和形狀梯度觸發并促進水在微驅動器上的滲透,從而導致FRSFs的膨脹和收縮。這種協同效應會自發地解開FRSF單紗,并保持微執行器的整體加捻平衡。文章中推導了螺旋結構與驅動功率之間的定量關系,從而可編程實現不同應用所需的驅動功率。通過控制所用纖維的數量,可以對絲纖維微驅動器的驅動功率進行精確編程。FRSF微驅動器作為一種天然的蛋白質纖維,具有機械性能高、加工性能多樣、生物相容性好等優點,有望在生物醫學、智能紡織品、軟機器人、人機界面等多個新興領域得到應用。

以上相關成果發表在Advanced Science (Adv. Sci.2020,1902743)上。論文的第一、二作者分別為上??萍即髮W物質學院研究生林詩繪和物質學院本科生王臻,通訊作者為凌盛杰教授。
 

來源:高分子科技
 
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