光驅(qū)動(dòng)器件可以把光能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械形變，而無需通過齒輪等機(jī)械傳送裝置的轉(zhuǎn)換，具有遠(yuǎn)程的、無接觸、無損傷、易操控等特點(diǎn)，尤其是太陽光中幾乎具有無窮無盡的光能，因此，光驅(qū)動(dòng)器件在實(shí)際應(yīng)用中具有巨大的前景，同時(shí)也吸引了眾多研究工作者的興趣。光驅(qū)動(dòng)器件研究的關(guān)鍵之一，是發(fā)展在光照下具有能量轉(zhuǎn)化特性的材料。碳納米管、石墨烯等納米材料因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的光學(xué)、力學(xué)等特性，在光驅(qū)動(dòng)的研究領(lǐng)域得到了廣泛的使用和發(fā)展。

最近，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員陳韋課題組在基于石墨烯的高性能光驅(qū)動(dòng)器件的研究方面取得了新的進(jìn)展。他們將碳納米管與石墨烯復(fù)合，充分發(fā)揮石墨烯的二維平面結(jié)構(gòu)提高界面接觸性能，以及碳納米管的良好力學(xué)與導(dǎo)熱能力，并且刻意地引入了界面熱應(yīng)力，從而獲得了卷曲的石墨烯-碳納米管/聚合物的雙層膜結(jié)構(gòu)(圖1)。該復(fù)合薄膜具有優(yōu)異的可逆光驅(qū)動(dòng)性能，在光照射下可在數(shù)秒的時(shí)間內(nèi)從卷曲的形狀展開成平直的形狀，當(dāng)光照撤出后，可快速恢復(fù)到其最初的卷曲形狀，從而具有類形狀記憶特性。

在該光驅(qū)動(dòng)薄膜的基礎(chǔ)上，他們發(fā)展了一系列光驅(qū)動(dòng)器件，包括光控智能窗簾(圖2a)。在無光照時(shí)呈完全卷曲狀態(tài)，而當(dāng)外界有強(qiáng)太陽光入射時(shí)，即能自動(dòng)展開覆蓋窗戶遮擋入射光;利用該卷曲結(jié)構(gòu)作為鉸鏈的光控智能盒子。在光照下，該盒子可以自動(dòng)打開，將內(nèi)部的物體暴露在光照下，而當(dāng)光照消失后，光控盒子則自動(dòng)地關(guān)閉(圖2b-c);進(jìn)一步將這種卷曲的薄膜首尾相連形成一個(gè)閉合的圓圈，從而發(fā)展出一種特殊的光驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。在光照下，該機(jī)器人可以模擬坦克的運(yùn)動(dòng)形式，包括快速移動(dòng)、翻越障礙以及爬臺(tái)階(圖3)。以上這些原型器件揭示了該卷曲的石墨烯光驅(qū)動(dòng)薄膜在仿生機(jī)器人、智能家居、太陽能板、太陽帆等實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)展前景。相關(guān)論文近日發(fā)表于《先進(jìn)材料》上(AdvancedMaterials,2015,27,7867)。

該工作得到國家自然科學(xué)基金、科技部港澳臺(tái)合作專項(xiàng)的資助、江蘇省杰出青年自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金以及中科院對(duì)外合作重點(diǎn)項(xiàng)目的資助。