成果简介
构建具有超快速致动和坚固机械特性的柔性致动器对于软机器人和智能设备至关重要，但这仍然是一项挑战。本文，德国马普高分子所 Yuyan Wang，四川大学 张新星教授课题组在《Small》期刊发表名为“Bioinspired H-Bonding Connected Gradient Nanostructure Actuators Based on Cellulose Nanofibrils and Graphene”的论文，受自然界松果开合这一独特现象的启发，研究制造出了一种具有层间网络键连接梯度结构的吸湿致动器。
与大多数传统的双层致动器设计不同，该策略利用生物基多酚在一维纤维素纳米纤维和二维氧化石墨烯之间构建了强大的界面氢键网络，使材料具有很高的拉伸强度（172 MPa)和出色的韧性（6.64MJ m−3)。此外，GO 和 rGO 之间亲水性的显著差异，以及致密的层间 H 键，使其在吸水和解吸过程中实现了超快的水交换。由此产生的致动器具有超快的驱动速度（154° s−1),、出色的耐压性和循环稳定性。利用这些优点，该致动器可制成智能设备（如智能抓手、湿度控制开关等），具有巨大的实际应用潜力。所介绍的在梯度结构中构建层间 H 键的方法对于实现生物质纳米材料和一维/二维纳米材料复合体的高性能和功能化具有指导意义。
图文导读
图1、采用多尺度组分组装策略制备CRF/GO / RGO/TA（CGT）复合膜材料的结构设计
图2.纳米结构和形态的表征分析
图3、组分相互作用的表征和分析。
图4、CGT纳米复合材料的结构表征形貌和优异的力学性能。
图5、吸湿性驱动机制和性能。
图6、湿度驱动的应用
小结
总之，受松果开合现象的启发，我们设计了一种基于纤维素-石墨烯的致动器，具有梯度吸湿性吸收变化。通过引入TA H键供体，在梯度层之间建立了致密的超强界面超分子H键交联网络。此外，GO和rGO在亲水性方面的显著差异，以及密集的层间氢键，可在吸水和解吸过程中实现超快的水交换。因此，与大多数双层非均质结构材料相比，我们的CGT纳米复合材料表现出超快的驱动速度和优异的机械性能，表明了在智能设备中的实际应用潜力。作者认为，在梯度结构中构建层间氢键的方法对于实现生物质纳米材料和一维/二维纳米材料复合物的高性能和功能化具有指导意义。
文献：https://doi.org/10.1002/smll.202401580
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