研究背景

形狀記憶高分子材料可以在外界刺激下按照既定的程序變形，這使得它在驅(qū)動(dòng)器、傳感器、藥物傳輸?shù)确矫婢哂芯薮蟮膽?yīng)用前景。由于高分子材料本身的低導(dǎo)熱系數(shù)和緩慢的鏈運(yùn)動(dòng)速率，形狀記憶高分子材料的響應(yīng)速度較其它形狀記憶材料（如形狀記憶合金）仍然具有很大的差距。

主要內(nèi)容

近日，浙大高超（共同通訊）、許震（共同通訊）團(tuán)隊(duì)與馬列（共同通訊）團(tuán)隊(duì)及其他合作者共同努力，突破了這一響應(yīng)速度難題。該項(xiàng)工作以高度可拉伸的石墨烯氣凝膠為模板，在其內(nèi)部構(gòu)筑由聚己內(nèi)酯（polycaprolactone，PCL）納米薄膜（2.5-60nm）搭建而成的形狀記憶網(wǎng)絡(luò)。其中，石墨烯納米網(wǎng)絡(luò)作為快速能量轉(zhuǎn)換和能量注入通道，PCL納米網(wǎng)絡(luò)作為快速能量傳遞和形變載體。這種具有PCL/石墨烯互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氣凝膠納米復(fù)合材料在電信號(hào)刺激下，響應(yīng)時(shí)間僅為50毫秒，響應(yīng)速度達(dá)175±40 mm s-1，最大形變約100%。該工作以“Millisecond Responseof Shape Memory Polymer Nanocomposite Aerogel Powered by Stretchable GrapheneFramework”為題發(fā)表在ACS Nano 上。

圖一 傳統(tǒng)形狀記憶高分子共混復(fù)合材料和復(fù)合氣凝膠（本文）示意圖

傳統(tǒng)的形狀記憶高分子復(fù)合材料多采用與導(dǎo)電添加劑共混的方法制備，從而導(dǎo)致導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)到SMP基體的熱傳導(dǎo)距離一般在微米級(jí)。然而，高分子材料的熱導(dǎo)率一般都較低 （比如本文使用的聚己內(nèi)酯PC，~ 0.3 W mK-1），這就導(dǎo)致傳統(tǒng)的共混形狀記憶高分子材料的響應(yīng)時(shí)間一般在秒級(jí)以上。此項(xiàng)研究以高度可拉伸的氣凝膠為模板，在其表面構(gòu)筑納米級(jí)聚己內(nèi)酯連續(xù)納米層（2.5-60 nm），減少熱傳遞距離。

圖二 a-e，該復(fù)合氣凝膠材料的微觀結(jié)構(gòu)

此項(xiàng)研究所使用的可拉伸氣凝膠是基于團(tuán)隊(duì)2018年的“Highly Stretchable Carbon Aerogels”工作（Nat.Commun.2018, 9, 881）進(jìn)行展開(kāi)（《自然·通訊》浙大高超教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)出高可拉伸全碳?xì)饽z彈性體）。利用石墨烯氣凝膠作為快速的能量注入和轉(zhuǎn)換骨架，實(shí)現(xiàn)SMP快速相轉(zhuǎn)變。最終得到響應(yīng)時(shí)間在毫秒級(jí)（50 ms），伸長(zhǎng)率在100% 以上的超輕復(fù)合氣凝膠材料。

圖三 石墨烯/PCL復(fù)合氣凝膠的形狀響應(yīng)性能

同時(shí)，該項(xiàng)工作利用浙大航空航天學(xué)院的王宏濤課題組自主開(kāi)發(fā)的原位TEM樣品桿，觀察到復(fù)合氣凝膠基本組成單元—石墨烯/PCL復(fù)合片在電刺激下的形狀記憶行為。

圖四 石墨烯/PCL復(fù)合單片的形狀記憶行為

該快速響應(yīng)的超輕復(fù)合氣凝膠材料具有廣闊的應(yīng)用前景，可被設(shè)計(jì)為超快速熔斷器來(lái)保護(hù)精密電路，在過(guò)載情況下，可在134 ms 內(nèi)斷路，保護(hù)用電器。同時(shí)，它還可以與電磁鐵結(jié)合，做為微型振蕩器。

圖五 石墨烯/PCL復(fù)合氣凝膠的應(yīng)用

高超教授的博士研究生郭凡為論文第一作者，馬列教授的博士研究生鄭曉聞為論文第二作者。浙江大學(xué)高分子科學(xué)研究所馬列教授和浙江大學(xué)航空航天學(xué)院王宏濤教授為這個(gè)工作的完成提供了大力支持和合作指導(dǎo)。論文得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委等相關(guān)經(jīng)費(fèi)的資助。