湿敏性石墨烯/蒙脱石杂化致动器件

设计合成能够响应pH、光、温度、电磁及湿度等外界刺激的仿生智能体系，在智能器件/传感领域有着广泛的应用需求。目前，智能响应性膜状器件的设计多基于无机、有机、生物等具有显著物性差异的材料，构筑两层及多层不对称结构体系，实现器件的刺激诱导致动。这类不对称结构智能体系的研究范围已完全覆盖光敏、温敏、湿敏等各种智能材料领域。但是，基于均质膜材料实现器件的外界刺激诱导致动的研究还相对较少。

近日，来自意大利的Gennaro Gentile和Veronica Ambrogi等科学家，以氧化石墨烯（GO）混合改性蒙脱土Cloisite Na⁺（CNa）为基材构筑了具有湿气响应性的自支撑均质膜状致动器件。这种致动器件在不同湿气诱导下能够可逆实现75°弯曲形变。进一步热处理还原GO组分，可赋予器件优异的湿度敏感电导性调控性能。该新型石墨烯基膜材料在致动器件和传感领域展现出不错的应用前景。

CNa/GO杂化膜的制备过程及形貌表征。图片来源：Adv. Funct. Mater.

研究者将CNa和GO水分散液通过超声混合均匀后，采用蒸发镀膜制备厚度为10~20 μm的自支撑杂化膜。不同杂化膜其组分构成通过TGA进行测定。杂化后膜的柔顺性相对于单一组分得到显著提高。膜材料的断面结构和表面元素组成分别通过SEM和EDX进行了详细表征。

CNa/GO杂化膜的制备过程及形貌表征。图片来源：Adv. Funct. Mater.

这种CNa/GO杂化膜体系中Na⁺与GO表面负电荷的相互作用，使得GO层间距从0.823 nm增加至0.860 nm。力学性能测试显示CNa/GO杂化膜热还原前后其拉伸强度都显著优于单一材质膜材料，表明GO和CNa具有良好的协同效应。基于GO及CNa材质的吸湿性，其膜材料在湿度变化刺激下能够产生明显的膨胀/收缩应力，通过调控杂化膜中各组分含量能够调节其湿度刺激产生的应力大小。

CNa/GO杂化膜湿度致动测试。图片来源：Adv. Funct. Mater.

CNa/GO杂化膜在具有优异的吸湿性能的同时，膜材料具有优异的湿气阻隔性能。在不对称湿度氛围中，该均质膜因膜内的湿度梯度形成类不对称膜结构，从而在膨胀应力下产生宏观弯曲形变；在30 s内弯曲度能够达50°，而且能够在湿气诱导下迅速（<3 s）实现弯曲方向反转。在50% RH湿度氛围下，对其30 s内的最大弯曲度进行系统测试，CNa/GO 50/50 杂化膜其弯曲度达75°，纯GO和纯CNa膜最大弯曲度则只有13°和34°。

CNa/GO杂化膜50% RH条件下的形变能力测试。图片来源：Adv. Funct. Mater.

研究人员进一步对CNa/GO杂化膜进行热还原处理，构筑导电性CNa/rGO杂化膜。该CNa/rGO杂化膜其导电性同样具有灵敏的湿度响应性。基于焦耳效应，当湿度从20% RH提高至90% RH时，其导电率由1.5 × 10^-6 S增加至2.7 × 10^-5 S。

CNa/rGO杂化膜导电性的湿度响应性。图片来源：Adv. Funct. Mater.

总结

本文仅通过将GO与CNa杂化共混，简便构筑了具有灵敏湿度响应性的自支撑膜状致动器件。两组分杂化后在保证了膜材料优异吸湿性和湿气阻隔性的同时，显著提高了膜材料的柔韧性和湿气诱导膨胀/收缩幅度。该器件经过后续热还原改性后，展现出优异的电性能湿度敏感特性，使其在传感和致动器件领域有着广阔的应用前景。

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Humidity-Driven Mechanical and Electrical Response of Graphene/Cloisite Hybrid Films

Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201807744