Advanced Functional Materials | 仿含羞草高靈敏、多重響應(yīng)淀粉基智能驅(qū)動(dòng)器
7月7日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院智能醫(yī)用材料與器械研究中心杜學(xué)敏研究員團(tuán)隊(duì)在國(guó)際著名期刊Advanced Functional Materials發(fā)表了題為“Mimosa-Inspired High-Sensitive and Multi-Responsive Starch Actuators”的研究論文,報(bào)道了一種仿含羞草高靈敏、多重響應(yīng)的淀粉基驅(qū)動(dòng)器,及其在環(huán)境感知反饋、智能燈罩及智能食品等方面的應(yīng)用。中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院智能醫(yī)用材料與器械研究中心杜學(xué)敏研究員為通訊作者,前研究助理胡豪為第一作者;中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院材料界面研究中心喻學(xué)鋒研究員和Massimiliano Galluzzi副研究員為共同作者。

論文上線截圖
仿生智能驅(qū)動(dòng)器因能模仿自然界生物在外界刺激下改變形態(tài)、顏色和運(yùn)動(dòng)行為,故在軟體機(jī)器人、人機(jī)界面和生物醫(yī)學(xué)器件等新興領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大應(yīng)用潛力。近年來(lái),盡管基于合成聚合物的智能驅(qū)動(dòng)器取得了廣泛進(jìn)展,但它們?cè)诳稍偕?、可持續(xù)和生物安全性方面仍面臨挑戰(zhàn);雖然基于天然聚合物的驅(qū)動(dòng)器與自然生物系統(tǒng)的組織成分更為接近,但這類聚合物中大量存在的氫鍵作用導(dǎo)致其驅(qū)動(dòng)行為較為單一。作為一類典型的天然聚合物,淀粉因可再生、生物相容好且可降解,故在生物醫(yī)學(xué)、食品等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景,且其分子鏈中存在的大量強(qiáng)氫鍵使其具備獨(dú)特的糊化特性,但與此同時(shí),也限制了其驅(qū)動(dòng)行為;雖通過(guò)化學(xué)改性或者引入合成聚合物等方式調(diào)控氫鍵可賦予其優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)特性,但這不可避免地影響淀粉再生特性和生物安全性等優(yōu)異性能。
針對(duì)該挑戰(zhàn),杜學(xué)敏研究員團(tuán)隊(duì)利用淀粉豐富的氫鍵和獨(dú)特的糊化特征,提出了新的氫鍵介導(dǎo)策略并成功構(gòu)建仿含羞草的高靈敏、多重響應(yīng)淀粉基智能驅(qū)動(dòng)器。該淀粉基智能驅(qū)動(dòng)器主要由三種組分構(gòu)成:具有熱糊化特性的天然淀粉(Starch),源于海洋褐藻的海藻酸鈉(Sodium alginate),和擁有優(yōu)異光熱效應(yīng)的液態(tài)金屬顆粒(LMPs)?;谏鲜鲆活惤M分成功構(gòu)建出兩種不同類型的智能驅(qū)動(dòng)器:未糊化淀粉基驅(qū)動(dòng)器和糊化淀粉基驅(qū)動(dòng)器(圖1-2)。未糊化淀粉基驅(qū)動(dòng)器通過(guò)光熱觸發(fā)局部糊化——淀粉顆粒分子間氫鍵不可逆“解鎖”,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)未糊化淀粉基驅(qū)動(dòng)器各種復(fù)雜形態(tài)的不可逆光控編輯;糊化淀粉基驅(qū)動(dòng)器在低濕(~10.2 %)、近人體體溫(~ 37 ℃)或低強(qiáng)度光照(0.42 W cm-2)下觸發(fā)淀粉分子間氫鍵可逆“解鎖”, 即可成功實(shí)現(xiàn)糊化淀粉基驅(qū)動(dòng)器的高靈敏、多重驅(qū)動(dòng)功能。這類基于天然高分子材料的智能驅(qū)動(dòng)器在智能傳感如人工含羞草、智能燈罩及智能食品等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。
該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、廣東省區(qū)域聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、深圳市杰青等科技項(xiàng)目資助。


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