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高性能SRP材料可用于水分蒸发潜热发电[转载]
作者:马明明等 发表时间:2013-01-12 阅读次数:1608

刺激响应聚合物(stimuli-responsive polymer, SRP)是一大类智能材料(smart materials),在外界刺激(包括光、电、磁、温度、pH、溶剂、机械力等)下能发生微观结构上的变化,进而导致宏观形状、尺寸、性能的变化。这些变化往往是可逆的,在外界刺激消失后,SRP材料能恢复原来的性质。设计并合成高性能的SRP材料是目前化学和材料学领域里的热点交叉学科。这些SRP材料在生物医学 (biomedical research)、自动控制及传感器 (self-controlled and self-adaptive systems, sensors)、微电子及微机械系统(micro-electro-mechanical systems, MEMS)等领域得到日渐广泛的应用。

目前研究者设计SRP的基本思路是将具有刺激响应功能的活性分子基团通过化学键连接到聚合物分子主链或者侧链上,希望该活性基团在外界刺激下的变化引起整个聚合物体系的变化,即对外界刺激发生响应。这种设计通常需要在聚合物分子链上引入大量的活性分子基团,这往往会影响原来聚合物的基本性质(如机械强度、化学稳定性、可加工性等),从而降低SRP材料的可使用性。另一方面,为了控制活性分子基团在聚合物链上的分布,需要发展新的聚合反应方法以及聚合物化学修饰方法。在目前缺乏相应的“结构-性能关系”理论指导的情况下,这些探索需要大量人力物力的投入,而收效并不显著。

马明明博士等发表在《Science》上的文章提出了一种设计合成高性能SRP材料的新思路:具有刺激响应功能的活性分子通过动态化学键(dynamic bond)将聚合物分子链交联形成具有动态网络结构 (dynamic network)的复合物(composite)。在这种复合物中,不仅活性分子本身可以对外界刺激作出响应,活性分子与聚合物分子间的动态化学键(包括氢键,离子相互作用,可交换的弱共价键)也同时对外界刺激作出响应。应用这一思路,本文设计合成了一种基于聚吡咯和多元醇硼酸酯的SRP复合物。这种材料保持了聚吡咯材料的高强度(拉伸强度超过金属铝)、高导电性和柔韧性,同时表现出多元醇硼酸酯动态网络所赋予的对水份的高响应性。将一张用这种材料做成的薄膜放在一张湿纸巾上,在室温下,该薄膜可以自动的在湿纸巾上爬行,翻滚,甚至跳跃。文章深入研究并阐明了这一现象的机理,该现象是基于该薄膜对水份的快速吸收并释放所导致的膨胀和收缩,从而将室温水份蒸发产生的浓度梯度转换为机械能。该薄膜可以产生高达27 MPa的收缩张力(是动物肌肉最大收缩张力的80倍),并可以举起380倍于自重的物体。在文中,将此薄膜与有机压电薄膜组装成一个薄膜发电机,在室温水份蒸发的驱动下,该薄膜发电机产生0.3 Hz的交流电,峰值电压超过1V, 足够驱动微电子传感器以及发光二极管。

自然环境中的水份蒸发潜热巨大,据估算,整个地表的水份蒸发消耗的功率是4×1016 W,而全人类2010年消耗的功率是1.6×1013 W,然而目前还没有办法有效的收集利用环境中的水份蒸发潜热。文中展示的薄膜发电机为有效的收集利用环境中的水份蒸发潜热迈出了第一步。文章所提出的新思路可以被用于指导设计合成其他高性能SRP材料,从而大大加快这一交叉学科的发展。

 

英文摘要

Bio-inspired Polymer Composite Actuator and Generator Driven by Water Gradients

Authors: Mingming Ma,1 Liang Guo,1 Daniel G. Anderson,1,2 Robert Langer1,2*

Affiliations:

1David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139.

2Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology, and Department of Chemical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139.

*Correspondence to: Robert Langer, email: rlanger@mit.edu.

Abstract: Here we describe the development of a water-responsive polymer film; combining both a rigid matrix (polypyrrole) and a dynamic network (polyol-borate), strong and flexible polymer films were developed that can exchange water with the environment to induce film expansion and contraction, resulting in rapid and continuous locomotion. The film actuator can generate contractile stress up to 27 MPa, lift objects 380 times heavier than itself, and transport cargo 10 times heavier than itself. We have assembled a generator by associating this actuator with a piezoelectric element. Driven by water gradients, this generator outputs alternating electricity at ~0.3 Hz, with a peak voltage of ~1.0 V. The electrical energy is stored in capacitors that could power micro- and nano-electronic devices.

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