具有非对称结构的纳米纤维基柔性仿生智能驱动膜的研究

Based on previous studies on nanofiber based membrane and actuator material which can respond to the water vapor by mechanically changing the shape, the flexible, biomimetic and smart nanofiber based actuators with asymmetric structures and responding capability to various vapors are systematically investigated. A new technique of fabricating nanofiber based substrates with controllable porous structures, spatial orientation of nanofibers, as well as surface patterns on nanofiber membrane is developed. The interaction process between vapors and nanofiber membrane is explored. The relationship between membrane structures and responsive behaviors to vapor stimulations is established. The polymers with specific selectivity to different stimulated vapors are designed and synthesized. The responsive layer with hierarchical structures consisting of discrete substances with adjustable morphologies and structures, as well as three dimensional interconnected networks is prepared. The interactions between hierarchical structures and vapors, and effects of structures on responsive strain vectors to vapor stimulations are revealed. The asymmetric structured biomimetic and smart actuator membrane with super-fast and selectively responses, as well as controllable shape changing capability is developed. The deformation performance of actuator membrane to different stimulated vapors is characterized in detail. The evolution mechanism is elucidated. The relationship between the structure of actuator membranes and shape changing behavior is built. The thermodynamic and dynamic theoretical models accurately describing the reversible deformations of flexible, biomimetic and smart actuator membranes with asymmetric structures driven by stimulated vapors are established and improved. The outcome of the research will lay solid foundation for the development of novel flexible, biomimetic and smart actuators in the future.

以前期对纳米纤维膜，能对外界水蒸汽刺激产生响应的驱动变形膜材料的研究为基础，系统研究具有非对称结构的、柔性仿生智能纳米纤维基蒸汽驱动变形膜材料。发展孔隙结构、纤维空间排列和表面图案可控的聚合物纳米纤维膜基体制备的新技术，探明刺激蒸汽与纤维膜基体的相互作用过程，建立纤维膜结构与刺激响应性能的关系；设计、合成与不同刺激蒸汽有特异选择性的聚合物，构建具有形态、结构可控的离散体和三维网状聚集体分级结构的响应层，揭示分级结构与刺激蒸汽相互作用和对刺激响应应变矢量的影响规律；构筑具有超快响应、可控形变和刺激选择性的，非对称结构柔性仿生智能驱动膜，深入表征驱动膜在不同刺激蒸汽中的形变性能，探明驱动可逆形变的演变规律，建立膜的形态结构与驱动形变产生的形状特征之间的关系；建立、完善能够准确描述柔性仿生智能驱动膜的蒸汽刺激驱动可逆形变过程的动力学和热力学理论模型，为新型柔性仿生智能驱动材料的研究提供理论基础。

项目开发的以纤维材料为基础的非对称纳米纤维基柔性仿生智能驱动膜具有响应速度快、形变量大、形变方向设计可控以及循环稳定性好等优势。本项目按照原定计划开展，已经完成了预期目标并形成了相应的研究成果。项目主要成果包括：.（1）通过模板法构筑出了具有表面图案化的柔性聚合物纳米纤维膜基体，研究了纳米纤维的形态、结构，纳米纤维膜的孔隙结构、纤维空间分布和表面图案形貌等对纳米纤维膜基体杨氏模量、力学性能等机械性能和表面性能的影响，建立了结构与性能之间的关系； .（2）设计、合成与甲苯蒸汽、湿气具有特异性和可逆性相互作用的聚苯乙烯微球（PS）、纤维素纳米晶（CNC）、氧化石墨烯（GO）、二氧化硅（SiO2）等刺激响应层材料，研究了响应层与刺激源蒸汽的分子间相互作用关系，建立了刺激响应层材料与刺激选择性响应行为间的关系；.（3）通过将响应层涂覆、沉积或组装到表面图案化的聚合物纳米纤维膜基体上，构建了具有非对称结构的柔性仿生智能驱动膜。系统研究了非对称结构驱动膜的孔隙分布结构、比表面积，图案形貌，各层的化学组成，层间相对取向排列结构，界面相互作用，膜厚、几何形状和尺寸，弯曲模量等对不同刺激蒸汽和蒸汽梯度驱动变形的响应速率、形状、曲率和循环性能；建立了非对称结构驱动膜的结构、几何形貌与驱动形变性能间的关系；.（4）根据实验数据系统分析了刺激蒸汽在驱动膜中的动态扩散过程与膜孔隙结构、膜厚等几何形貌特征、弯曲模量等机械性能，刺激蒸汽梯度分布等因素间的关系；建立了能够对柔性智能驱动膜形变达到稳态时的形状、曲率等形变特征进行理论解释和预测的热力学模型，为柔性智能驱动膜材料的研究和开发提供了参考。.本项目通过四年的研究，形成了以下研究成果：发表SCI论文26篇，EI论文1篇，授权发明专利11项；参加国内学术会议并做口头汇报20次。联合培养博士研究生5名，其中3名已毕业，2名在读；培养硕士研究生15名，其中9名已毕业。