PVDF/PVA 雙層膜的仿生形變。
這種薄膜可以持久運動，如果利用持久運動特性來發電，可極大拓展相關技術在自發電穿戴式、植入式電子器件方面的應用，而穿戴式、植入式行業擁有超千億元市場規模。
■本報記者 沈春蕾 見習記者 丁寧寧
花瓣形狀的雙層薄膜吸收丙酮分子後，花瓣翩翩起舞，猶如一朵在風中搖弋的蘿蔔花。「這是聚偏氟乙烯/聚乙烯醇雙層膜的仿生形變。」中國科學院深圳先進技術研究院副研究員杜學敏告訴《中國科學報》記者。
近日，華東師範大學化學院博士生導師張利東課題組與杜學敏課題組合作，以聚偏氟乙烯（PVDF）和聚乙烯醇（PVA）高分子材料為研究對象，通過模擬生物結構衍生規律，製備出新型智能柔性雙層高分子膜材料。
一場偶然的相遇
2016年上半年，張利東的身份還是在紐約大學阿布達比分校從事博士後工作的學者，機緣巧合，他和杜學敏都參加了在新加坡舉行的國際會議，兩人均在會上作了學術報告，並且認真聆聽了各自的報告。
「我們算是小同行，會上交流特別順暢，對彼此的研究也非常感興趣。」杜學敏在得知張利東準備回國發展後，便於2016年下半年邀請他來到深圳先進院指導交流，雙方的合作也圍繞高分子膜材料正式開啟。
隨著人類對自然界生物結構了解與認識加深，通過材料與結構設計仿生大自然技術也日趨成熟，推動了刺激響應仿生材料的發展。張利東指出：「近年來，基於刺激響應仿生材料研發的器件已經在工業、醫療、電子、軍事等領域得到了較好的應用。」
杜學敏說：「在未來，仿生軟材料應用價值將更加巨大，特別是在柔性電子工業，仿生傳感器，軟體機器人等方面將擁有廣闊的前景。」然而，當前在刺激響應材料仿生結構模擬上還存在諸多技術難題。
張利東透露，現有的理論分析認為，要實現高效可控的仿生性能，除了對材料仿生結構的精確設計之外，材料不僅要具有非常好的拉伸耐磨性能、對外界長時間刺激後仍能保持理想的機械性能，還必須具有可逆的刺激響應行為，這些是刺激響應型仿生材料實現仿生性能的基本要素，也是拓展其應用的基本條件。
杜學敏稱：「只有設計合理的仿生結構、深入理解仿生機理、優化材料機械性能，才能控制動態仿生過程、促進材料的應用步伐。」
張利東課題組開展的柔性智能雙層膜的仿生性能機理研究，與杜敏學課題組開展的探索仿生智能材料研究不謀而合。
「不知疲憊」地運動
雙方科研團隊以廉價易得的高分子材料為研究對象，張利東課題組提出了雙層膜設計理念，通過對材料簡單的複合改性，製備了具有自驅動性能的高分子雙層膜，並設計了各種柔性器件；杜學敏課題組基於光刻蝕技術，製備了帶有微孔道結構的矽模板。
科研團隊利用模板技術將微孔道仿生結構複製到PVDF膜表面，使得製備的PVDF/PVA雙層薄膜在結構上具有周期變化的機械張量，實現了雙層膜的仿生性能，並通過外界刺激實現了對雙層膜仿生行為的操控。
張利東表示，該雙層膜對丙酮分子的刺激具有極其敏感的響應性，並且通過對丙酮分子的快速吸收和釋放，可實現雙層膜的長時間連續定向形變。讓惰性高分子「不知疲倦」地運動起來，可媲美自然界中複雜的運動方式。
實驗過程蠻有趣：當PVDF膜表面微孔道排列和薄膜的長軸夾角保持在30°或60°時，薄膜受到丙酮分子刺激產生右手性的纏繞運動。反之，微孔道排列和薄膜的長軸夾角保持在-30°或-60°時，薄膜表現出左手性的纏繞形變。當這種夾角保持在90°時，雙層膜吸收丙酮分子而產生向著PVA層的定向彎曲形變。
於是就有了本文開篇的奇妙現象：花瓣形狀的雙層膜產生了像蘿蔔花一樣的形變運動。
杜學敏告訴記者：「當環境中丙酮濃度過高時，傳感器自發形變接通電路，電燈亮；當丙酮濃度逐漸降低時，傳感器恢復到原來形狀斷開電路，電燈滅。利用電燈的變化，可告知環境中丙酮蒸汽濃度的高低。」
因此，利用此種仿生運動設計的薄膜傳感器，還可以長時間連續監測環境中丙酮濃度，從而極大地拓展了材料的應用潛質。同時，該雙層膜對於外界丙酮蒸汽的刺激能夠保持數小時連續可逆的響應，這為拓展刺激響應材料在能源、柔性傳感器、人工肌肉、柔體機器人等領域應用奠定了堅實的基礎。
小薄膜用途大
普通聚合薄膜往往想擁有快速響應、「不知疲倦」的運動特性，就需要犧牲材料的機械性能，比如犧牲材料的楊氏模量（描述固體材料抵抗形變能力的物理量）、耐磨性、抗腐蝕等機械性能。這類普通聚合物薄膜現在已經可以廣泛應用於醫療、電子及日常生活等方方面面。
而張利東和杜學敏團隊研製的仿生智能薄膜受刺激後，一旦撤除刺激源，薄膜可以迅速恢復其原來的機械性能，因此可達到「不知疲倦」的運動特性。另外，利用這種「不知疲倦」特性的薄膜設計成為柔性傳感器，可以長期多次循環使用，大大節省了材料成本。
杜學敏向記者透露：「未來，我們一方面可將此薄膜設計成僅對丙酮分子刺激敏感的傳感器，用於化工企業中實時監測環境中丙酮濃度，以及時預防丙酮對人的傷害。另一方面，我們可以把這種薄膜結合能量採集、人工肌肉、柔體機器人等領域的實際需求，個性化設計適用於不同領域的具體產品。」
他以能量採集來舉例，這種薄膜可以持久運動，如果利用持久運動特性來發電，可極大拓展相關技術在自發電穿戴式、植入式電子器件方面的應用，而穿戴式、植入式行業擁有超千億元市場規模。
《中國科學報》 (2017-08-07 第6版 院所)