湿度变了？高分子膜动起来，跳起来，一起嗨！

最近，日本理研中心（RIKEN）的Daigo Miyajima博士和东京大学的Takuzo Aida教授等人报道了一种可在正常的环境湿度下使用，微小的湿度扰动即可实现形变的自驱动薄膜，相关成果发表于材料学顶级期刊Nature Materials上（An autonomous actuator driven by fluctuations in ambient humidity, Nature Mater., 2016, DOI: 10.1038/NMAT4693）。自驱动薄膜是一种自驱动器（autonomous actuator），可以响应外界条件变化，自身产生形变。对外部环境敏感性强的自驱动器（例如，极小的温度或湿度变化即可实现较大形变）在传感、能量转换等方面具有广阔的应用前景。再说这个日本科学家团队，他们的工作究竟有哪些独到之处呢？今天小编就带大家一起读读这篇论文。

关键词一：简单。事实上，制备具有湿度响应性的薄膜材料的研究工作并不鲜见。从原理上讲，这类薄膜材料首先需要具有不对称的结构，薄膜两侧对湿度具有不同的响应能力，如不同的吸水膨胀率。而这种对结构的要求也使得制备过程通常十分复杂。而在这份工作中，薄膜的生长过程十分简单：只需将碳酸胍粉末置于试管内，高温煅烧即可在试管壁上获得一层淡黄色的透明薄膜。这是一种π-π堆积的碳氮聚合物薄膜，π平面沿着试管壁方向生长，形成了取向性极强的层状堆砌结构，层间距为3.23埃。值得一提的是，这种材料是一种较为硬质的薄膜，其模量与硬度达到12 GP与1 GP，因此在极薄的情况下（0.8 µm）也可以保持平整。

碳氮聚合物薄膜。图片来源：Nature Mater.

这种薄膜的不对称性来源于生长过程。从取向程度上看，这种薄膜在靠近玻璃基底表面的位置取向度更高；从组成上看，靠近基底侧的薄膜含有的-NH与-NH₂的比例较低。研究者们认为玻璃基底对于薄膜的取向生长起到了关键的作用。这种不对称性也导致了其独特的环境响应性：当环境湿度升高时，材料表面吸水，水分子与N-H结构形成氢键，薄膜表面膨胀；当环境湿度降低时，材料表面逐渐失水，薄膜自身的N-H结构形成氢键，从而发生收缩。

膜结构不对称性与环境响应性。图片来源：Nature Mater.

关键词二：敏感。相较于其他报道的湿度敏感的自驱动器来说，这种薄膜对湿度变化的敏感性更高，仅需每10平方毫米几百纳克的吸附水即可实现其由平面状态向卷曲状态的转变。这种变化可以通过控制其他条件来实现，比如，在相同湿度下改变温度，也可以实现这一过程，这是由于吸水量会随着温度而变化。

湿度与薄膜形态转变。图片来源：Nature Mater.

同样，紫外光也可以快速激发这一形变过程。譬如，在365nm的紫外光照射下，薄膜在100 ms内发生卷曲；移除紫外光后，薄膜会慢慢恢复平直的状态。这一过程可重复一万次以上。研究者们发现，在干燥的密闭环境下紫外光无法激发这一过程，说明其本质原因是紫外光导致的热效应致使表面失水。十分有趣的是，研究者们把薄膜朝向基底的一侧向上放置，在紫外光的照射下，薄膜向内卷曲，薄膜会跳离桌面10 mm左右。

紫外照射后的薄膜。图片来源：Nature Mater.

另一个有趣的实验里，当他们用金镀层覆盖条形薄膜的一端后，将卷曲的膜放在水滴的一端，可以明显的看到薄膜会逐渐远离水滴，而在这一过程中没有任何外加刺激。这是由于空气中的湿度会在一定的范围内发生波动，而由于薄膜对湿度非常的敏感，因此仅靠环境湿度的变化即可实现膨胀-收缩过程，从而实现薄膜的移动。

湿度波动驱动的薄膜移动。图片来源：Nature Mater.

总而言之，这份工作报道了一种简单的制备自驱动薄膜的方法，其在较小的湿度变化下即可发生形变，内在原理可为我们设计敏感型自驱动器提供灵感。

http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4693.html

（本文由YHC供稿）