可用于体表湿热管理的智能材料：基于纳米通道的自适应气体致动薄膜

近日，Nature子刊《Nature Communications》在线发表了由东华大学纤维材料改性国家重点实验室王宏志教授课题组和佐治亚理工大学Elsa Reichmanis教授课题组合作完成的题为‘‘Molecular-Channel Driven Actuator with Considerations for Multiple Configurations and Color Switching’’的研究论文。

对于光、热、湿度以及磁场等外部刺激具有一定的自适应响应性是自然界中各种各样的生物赖以生存的基础。效法自然，以聚合物凝胶、电活性高分子以及碳纳米材料为主的一系列人工驱动器材料已经被开发出来，并在微纳机器人、人造器官甚至军事隐形等领域都展现了广阔的应用前景。相比于热、pH、光、电驱动的致动材料，气体(特别是水蒸气)致动材料由于条件温和、生物友好且易于控制，更加适合人体体表的应用。目前，已经有几种气体致动材料相继被报道，然而由于其复杂的制备工艺、缓慢的气体吸收及传输过程、以及较差的生物相容性等问题，很难应用于可穿戴设备等人体-环境交互领域，所以开发基于新型驱动机理的气体致动材料尤为迫切。

纳米分子通道广泛存在于活体细胞及生物组织中，并在小分子的输运与存储过程中起到不可替代的作用。例如环境响应性植物捕蝇草、含羞草等，就是通过细胞表面的水分子通道实现组织中水分子的再分配，从而引起组织细胞液体压力差以实现驱动行为的。纳米分子通道的这种分子再分配特性，已经被应用于包括能量存储与环境保护等许多科学与工程领域。

该项工作在对多种纳米分子通道材料进行研究的基础上，最终利用一种商品化的全氟磺酸树脂开发出一系列响应速度极快(~0.25 s)、性能稳定且可以与人体皮肤友善接触的驱动器薄膜材料。具体研究成果包括：借助同步辐射光源的掠射角X射线衍射仪(GIWAX)，原位研究了单层全氟磺酸树脂薄膜吸收气体过程中的结构变化，揭示了该类气体驱动器薄膜材料的气体吸收/传输机制以及变形机理，实现了左-右螺旋调控的自舒展双层驱动器薄膜。将具有气体活性的选区取向的全氟磺酸树脂复合到惰性的PET基底上，制备出可以定向舒展/闭合的螺旋驱动器薄膜。将图案化切割后的驱动器薄膜与普通纤维纺织品结合，设计出一种具有人体体表温度与湿度调节作用的智能面料。并将纳米氧化硅微球光子晶体与薄膜复合开发出自适应变形-变色双响应智能薄膜。

• 图一 全氟磺酸树脂薄膜吸收气体过程原位GIWAXS分析

  

  图二 全氟磺酸树脂薄膜吸收气体自适应变形机理

• 图三 双层结构的螺旋和自适应解螺旋动态过程

• 图四 人体体表温度与湿度调节智能面料及变形-变色双响应薄膜

  东华大学博士毕业生穆九柯（现为美国德克萨斯大学达拉斯分校博士后）与王刚（现为美国西北大学博士后）为该论文的共同第一作者，该项工作得到了国家自然科学基金、上海市优秀学术带头人、上海市东方学者跟踪计划的大力支持。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-03032-2