近日，合肥工業(yè)大學(xué)吳玉程教授團(tuán)隊(duì)胡穎研究員，與中科院上海硅酸鹽所王冉冉研究員、南京工業(yè)大學(xué)武觀副教授等合作，設(shè)計(jì)制備了基于非對(duì)稱層狀微觀結(jié)構(gòu)MXene薄膜的柔性光驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器能感知自然太陽光強(qiáng)度的波動(dòng)變化，產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械變形響應(yīng)。研究人員借助穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置（SHMFF）的變溫X射線衍射儀（XRD）設(shè)備，對(duì)這一器件中的MXene柔性薄膜材料進(jìn)行了研究，揭示并闡明了該光驅(qū)動(dòng)器的原理。研究成果以“Self-Locomotive Soft Actuator Based on Asymmetric Microstructural Ti₃C₂Tx MXene Film Driven by Natural Sunlight Fluctuation”為題在線發(fā)表在ACS Nano。  

　　自然界中存在多種多樣的能量源，比如太陽光、風(fēng)、濕度等等。自然界中許多動(dòng)植物已經(jīng)進(jìn)化出感應(yīng)外部環(huán)境中的自然能源的變化、并產(chǎn)生相應(yīng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的能力。例如，由于太陽輻射引起的莖兩側(cè)的不對(duì)稱伸長(zhǎng)，向日葵可以追蹤太陽的運(yùn)動(dòng)；果蠅能夠感知并向光源方向飛行，產(chǎn)生趨光運(yùn)動(dòng)。通過模擬具有環(huán)境刺激響應(yīng)特性的生物體，發(fā)展能夠利用自然環(huán)境中的能源來產(chǎn)生自主運(yùn)動(dòng)而無需人工能源和人工控制的柔性驅(qū)動(dòng)器和智能微型機(jī)器人。這些研究在工業(yè)、環(huán)境檢測(cè)等方面具有重要的應(yīng)用潛力，但仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。針對(duì)該挑戰(zhàn)，研究人員設(shè)計(jì)制備了基于非對(duì)稱層狀微觀結(jié)構(gòu)MXene薄膜的柔性光驅(qū)動(dòng)器。  

　　為了揭示和闡明該柔性薄膜的光驅(qū)動(dòng)器原理，研究人員借助SHMFF變溫XRD設(shè)備對(duì)該器件中的柔性光驅(qū)動(dòng)薄膜材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，該薄膜上表面和下表面的（002）衍射峰分別在5.9°和6.3°，表明該薄膜上下層的層間結(jié)構(gòu)具有不對(duì)稱性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，薄膜上下層都可以吸附水分子，但是上層吸附的水分子更多，其層間距更大【圖1（a）】。對(duì)I-MXene薄膜的變溫XRD研究表明，上下層的層間距都隨著溫度的升高而減小，這是由于溫度的升高會(huì)導(dǎo)致插層中的水分子發(fā)生解吸附作用，但是上下層的解吸附作用的強(qiáng)度是不同的【圖1（b）】。當(dāng)溫度從25℃升高到100℃，上層的層間距從14.9埃減少到13.2埃，而下層層間距從14.1埃減少到13.0?！緢D1（c）】。上層的層間距變化比下層的大，并且上層在溫度升高后所產(chǎn)生的變形比下層大。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了上層具有更好的親水性從而可以吸收更多的水分子。上下表面的層間距的不同造成上下表面對(duì)光照的機(jī)械響應(yīng)不同，導(dǎo)致了薄膜在光照下曲率變化不同，從而造成光作用下的快速?gòu)澢冃巍? 

　　文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c10797 

　　圖1：（a）基于非對(duì)稱層狀MXene薄膜的柔性光驅(qū)動(dòng)器材料的微觀結(jié)構(gòu)示意圖； 

　　　　（b）上下層隨溫度變化的XRD譜；（c）上下層的層間距隨溫度的變化