《中国科学报》：仿生智能薄膜：让惰性高分子“动起来”
PVDF/PVA 双层膜的仿生形变。
这种薄膜可以持久运动，如果利用持久运动特性来发电，可极大拓展相关技术在自发电穿戴式、植入式电子器件方面的应用，而穿戴式、植入式行业拥有超千亿元市场规模。
■本报记者 沈春蕾 见习记者 丁宁宁
花瓣形状的双层薄膜吸收丙酮分子后，花瓣翩翩起舞，犹如一朵在风中摇弋的萝卜花。“这是聚偏氟乙烯/聚乙烯醇双层膜的仿生形变。”中国科学院深圳先进技术研究院副研究员杜学敏告诉《中国科学报》记者。
近日，华东师范大学化学院博士生导师张利东课题组与杜学敏课题组合作，以聚偏氟乙烯（PVDF）和聚乙烯醇（PVA）高分子材料为研究对象，通过模拟生物结构衍生规律，制备出新型智能柔性双层高分子膜材料。
一场偶然的相遇
2016年上半年，张利东的身份还是在纽约大学阿布达比分校从事博士后工作的学者，机缘巧合，他和杜学敏都参加了在新加坡举行的国际会议，两人均在会上作了学术报告，并且认真聆听了各自的报告。
“我们算是小同行，会上交流特别顺畅，对彼此的研究也非常感兴趣。”杜学敏在得知张利东准备回国发展后，便于2016年下半年邀请他来到深圳先进院指导交流，双方的合作也围绕高分子膜材料正式开启。
随着人类对自然界生物结构了解与认识加深，通过材料与结构设计仿生大自然技术也日趋成熟，推动了刺激响应仿生材料的发展。张利东指出：“近年来，基于刺激响应仿生材料研发的器件已经在工业、医疗、电子等领域得到了较好的应用。”
杜学敏说：“在未来，仿生软材料应用价值将更加巨大，特别是在柔性电子工业，仿生传感器，软体机器人等方面将拥有广阔的前景。”然而，当前在刺激响应材料仿生结构模拟上还存在诸多技术难题。
张利东透露，现有的理论分析认为，要实现高效可控的仿生性能，除了对材料仿生结构的精确设计之外，材料不仅要具有非常好的拉伸耐磨性能、对外界长时间刺激后仍能保持理想的机械性能，还必须具有可逆的刺激响应行为，这些是刺激响应型仿生材料实现仿生性能的基本要素，也是拓展其应用的基本条件。
杜学敏称：“只有设计合理的仿生结构、深入理解仿生机理、优化材料机械性能，才能控制动态仿生过程、促进材料的应用步伐。”
张利东课题组开展的柔性智能双层膜的仿生性能机理研究，与杜敏学课题组开展的探索仿生智能材料研究不谋而合。
“不知疲惫”地运动
双方科研团队以廉价易得的高分子材料为研究对象，张利东课题组提出了双层膜设计理念，通过对材料简单的复合改性，制备了具有自驱动性能的高分子双层膜，并设计了各种柔性器件；杜学敏课题组基于光刻蚀技术，制备了带有微孔道结构的硅模板。
科研团队利用模板技术将微孔道仿生结构复制到PVDF膜表面，使得制备的PVDF/PVA双层薄膜在结构上具有周期变化的机械张量，实现了双层膜的仿生性能，并通过外界刺激实现了对双层膜仿生行为的操控。
张利东表示，该双层膜对丙酮分子的刺激具有极其敏感的响应性，并且通过对丙酮分子的快速吸收和释放，可实现双层膜的长时间连续定向形变。让惰性高分子“不知疲倦”地运动起来，可媲美自然界中复杂的运动方式。
实验过程蛮有趣：当PVDF膜表面微孔道排列和薄膜的长轴夹角保持在30°或60°时，薄膜受到丙酮分子刺激产生右手性的缠绕运动。反之，微孔道排列和薄膜的长轴夹角保持在-30°或-60°时，薄膜表现出左手性的缠绕形变。当这种夹角保持在90°时，双层膜吸收丙酮分子而产生向着PVA层的定向弯曲形变。
于是就有了本文开篇的奇妙现象：花瓣形状的双层膜产生了像萝卜花一样的形变运动。
杜学敏告诉记者：“当环境中丙酮浓度过高时，传感器自发形变接通电路，电灯亮；当丙酮浓度逐渐降低时，传感器恢复到原来形状断开电路，电灯灭。利用电灯的变化，可告知环境中丙酮蒸汽浓度的高低。”
因此，利用此种仿生运动设计的薄膜传感器，还可以长时间连续监测环境中丙酮浓度，从而极大地拓展了材料的应用潜质。同时，该双层膜对于外界丙酮蒸汽的刺激能够保持数小时连续可逆的响应，这为拓展刺激响应材料在能源、柔性传感器、人工肌肉、柔体机器人等领域应用奠定了坚实的基础。
小薄膜用途大
普通聚合薄膜往往想拥有快速响应、“不知疲倦”的运动特性，就需要牺牲材料的机械性能，比如牺牲材料的杨氏模量（描述固体材料抵抗形变能力的物理量）、耐磨性、抗腐蚀等机械性能。这类普通聚合物薄膜现在已经可以广泛应用于医疗、电子及日常生活等方方面面。
而张利东和杜学敏团队研制的仿生智能薄膜受刺激后，一旦撤除刺激源，薄膜可以迅速恢复其原来的机械性能，因此可达到“不知疲倦”的运动特性。另外，利用这种“不知疲倦”特性的薄膜设计成为柔性传感器，可以长期多次循环使用，大大节省了材料成本。
杜学敏向记者透露：“未来，我们一方面可将此薄膜设计成仅对丙酮分子刺激敏感的传感器，用于化工企业中实时监测环境中丙酮浓度，以及时预防丙酮对人的伤害。另一方面，我们可以把这种薄膜结合能量采集、人工肌肉、柔体机器人等领域的实际需求，个性化设计适用于不同领域的具体产品。”
他以能量采集来举例，这种薄膜可以持久运动，如果利用持久运动特性来发电，可极大拓展相关技术在自发电穿戴式、植入式电子器件方面的应用，而穿戴式、植入式行业拥有超千亿元市场规模。
《中国科学报》 (2017-08-07 第6版 院所)
