仿生智能薄膜：让惰性高分子“动起来”

聚偏氟乙烯/聚乙烯醇双层膜的仿生变形。

薄膜可以长时间移动，如果利用永久移动特性发电，相关技术在自发电可穿戴植入电子设备中的应用将会大大扩展，可穿戴植入产业的市场规模将超过1000亿元。

■我们的记者沈春雷，见习记者丁宁宁

吸收丙酮分子后，花瓣状双层膜像随风摇曳的萝卜花一样翩翩起舞。"这是聚偏氟乙烯/聚乙烯醇双层膜的仿生变形."中国科学院深圳先进技术研究所副研究员杜告诉《中国科学日报》。

最近，华东师范大学化学学院博士生导师课题组与杜课题组合作，以聚偏氟乙烯(PVDF)和聚乙烯醇(PVA)高分子材料为研究对象，模拟生物结构衍生规律，制备了一种新型智能柔性双层高分子膜材料。

一次偶然的相遇

2016年上半年，张立东仍是纽约大学阿布扎比分校的博士后学者。巧合的是，他和杜都参加了在新加坡举行的国际会议。两人都在会议上做了学术报告，并认真听取了各自的报告。

“我们是小伙伴。会议上的交流非常顺利，我们对彼此的研究非常感兴趣。”在得知即将回国发展后，杜于2016年下半年邀请他到深大指导交流。双方的合作也正式围绕高分子膜材料展开。

随着人类对自然生物结构认识的加深，仿生自然技术通过材料和结构设计也日趋成熟，推动了刺激-反应仿生材料的发展。张立东指出:“近年来，基于刺激响应仿生材料开发的装置在工业、医疗、电子、军事等领域得到了很好的应用。”

杜说:“未来，仿生软材料的应用价值将会更大，特别是在柔性电子产业、仿生传感器、柔性机器人等领域将会有广阔的前景。”然而，模拟刺激响应材料的仿生结构仍然存在许多技术难题。

张立东揭示，现有的理论分析认为，为了实现高效可控的仿生性能，除了精确设计材料的仿生结构外，材料必须不仅具有很好的抗拉和耐磨性能，而且在长期外界刺激后还必须保持理想的力学性能，并且还必须具有可逆的刺激响应行为。这些是刺激响应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·说:“只有设计合理的仿生结构，深入了解仿生机理，优化材料的力学性能，才能控制动态仿生过程，促进材料的应用步伐。”

张立东课题组对柔性智能双层膜的仿生机理研究与杜课题组对仿生智能材料的研究是一致的。

“不知疲倦”地锻炼

双方的研究团队都以廉价易得的高分子材料为研究对象。张立东的研究小组提出了双层膜的设计概念。通过对材料的简单复合改性，制备了具有自驱动性能的聚合物双层膜，并设计了各种柔性器件。杜的研究小组基于光刻技术制备了一种具有微孔结构的硅模板。

科研团队利用模板技术将微孔仿生结构复制到聚偏氟乙烯膜表面，使制备的聚偏氟乙烯/聚乙烯醇双层膜在结构上具有周期性的机械张力，实现双层膜的仿生性能，并通过外部刺激控制双层膜的仿生行为。

张立东说，双层膜对丙酮分子的刺激有极其敏感的反应，通过丙酮分子的快速吸收和释放，可以实现双层膜的长期连续定向变形。让惰性聚合物“不知疲倦地”运动，就像自然界复杂的运动一样。

实验过程非常有趣:当聚偏氟乙烯膜表面微孔排列与膜长轴的夹角保持在30°或60°时，膜受到丙酮分子的刺激，产生右旋卷绕运动。相反，当微孔排列与薄膜长轴之间的角度保持在-30°或-60°时，薄膜表现出左旋卷绕变形。当夹角保持在90度时，双层膜吸收丙酮分子并产生朝向聚乙烯醇层的定向弯曲变形。

所以在这篇文章的开头有一个奇妙的现象:花瓣状双层膜产生与萝卜花相同的变形运动。

杜·告诉记者:“当环境中丙酮浓度过高时，传感器会自动变形，打开电路，灯就会亮。当丙酮浓度逐渐降低时，传感器会恢复到原来的形状，断开电路并关灯。电灯的变化可以告知环境中丙酮蒸汽的浓度。”

因此，仿生运动设计的膜传感器还可以长时间连续监测环境中的丙酮浓度，大大拓展了该材料的应用潜力。同时，双层膜可以对外界丙酮蒸气的刺激保持数小时的连续可逆响应，为刺激响应材料在能源、柔性传感器、人工肌肉、柔性机器人等领域的拓展应用奠定了坚实的基础。

小电影很有用。

普通聚合物薄膜通常希望具有快速响应和“不知疲倦”的运动特性，因此它们需要牺牲材料的机械性能，例如杨氏模量(描述固体材料抗变形性的物理量)、耐磨性、耐腐蚀性和其他机械性能。这种普通的聚合物薄膜现在可以广泛应用于医疗、电子、日常生活等方面。

然而，由和杜团队开发的仿生智能膜，一旦刺激源被去除，就能迅速恢复其原有的力学性能，从而达到“不知疲倦”的运动特性。此外，具有这种“不知疲倦”特性的薄膜被设计成柔性传感器，可以长时间重复使用，从而大大节约了材料成本。

杜对记者说:“今后，我们一方面可以将这种薄膜设计成只对丙酮分子的刺激敏感的传感器，用于化工企业实时监测环境中丙酮的浓度，及时防止丙酮对人类的危害。另一方面，我们可以将这种电影与能量收集、人造肌肉、柔性机器人等领域的实际需求相结合，个性化设计可以应用于不同领域的特定产品。”

他以能量收集为例。这部电影可以长时间放映。如果利用永久运动特性来发电，则相关技术在自发电可穿戴和可植入电子设备中的应用可以大大扩展。可穿戴和可植入产业的市场规模超过1000亿元。

《中国科学日报》(第六版，2017年8月7日)