面向柔性驱动器的仿生结构创新：兼具高强度与多刺激响应的MXene/海藻酸钠复合薄膜研究
本研究由来自英国伦敦玛丽女王大学物理与化学科学学院的Linchao Sun, Kai Chen, Xu Leng, Yaojia Long, Xiaoxi Guo, Matteo Palma和Yao Lu*，以及中国大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室、力学与航空航天工程学院的LiXuan Che和Ming Li合作完成。该研究成果以题为“Reinforced Nacre-like MXene/Sodium Alginate Composite Films for Bioinspired Actuators Driven by Moisture and Sunlight”的论文形式，发表于学术期刊《Small》上，在线发表日期为2024年10月6日。
在智能材料与柔性电子领域，软体驱动器因其能够将外部环境能量（如湿度、光照、热量）转化为机械运动，而在软体机器人、可穿戴设备、人造肌肉等方面展现出巨大应用潜力。MXene作为一种新兴的二维材料（以Ti₃C₂Tₓ为代表），因其优异的亲水性、光热转换效率和导电性，在构建智能驱动器方面受到广泛关注。然而，纯MXene薄膜存在机械强度不足、在环境中易氧化等问题，这严重制约了其在实际应用中的耐用性和功能性。同时，开发兼具优异机械性能与多刺激响应能力的稳健型驱动器仍是一个挑战。
受自然界珍珠母（Nacre）的“砖-泥”微观结构启发，该结构以无机片层（砖）与有机基质（泥）的巧妙结合而著称，赋予了材料卓越的强度与韧性。本研究旨在通过一种简便的溶液浇铸自组装方法，将MXene纳米片与天然高分子海藻酸钠（Sodium Alginate, SA）复合，构建具有类似珍珠母层状结构的复合薄膜（MXene/SA，简称MXSA）。研究核心目标在于：1）通过仿生结构设计显著提升复合材料的机械性能；2）利用SA的高吸湿性和MXene的光热效应，赋予复合材料对湿度与阳光的双重响应能力；3）探索其在由环境可再生能源驱动的仿生执行器中的实际应用可行性。
本研究的工作流程主要包括MXene纳米片的制备与表征、MXSA复合薄膜的制备与结构表征、材料机械与刺激响应性能的系统测试、基于有限元分析的变形模拟以及概念验证应用演示。
首先，是MXene纳米材料的合成与基础表征。 研究团队采用典型的氢氟酸（HF）刻蚀法从Ti₃AlC₂（MAX相）前驱体制备了少层至单层的Ti₃C₂Tₓ MXene纳米片分散液。这一过程包括用盐酸和氟化锂（LiF）的混合溶液进行选择性刻蚀，去除铝（Al）层，随后通过超声剥离得到纳米片。通过多种表征手段确认了材料的成功制备：扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS） mapping证实了Al层的有效去除；原子力显微镜（AFM）显示纳米片厚度约为1.5-3.5纳米，符合少层特征；透射电子显微镜（TEM）和选区电子衍射（SAED）图案展示了其二维片状结构和六方晶系单晶特性；X射线衍射（XRD）图谱显示特征（002）峰从MAX相的9.6°移动至6.7°，层间距增大，表明成功剥离；X射线光电子能谱（XPS）分析了其表面化学状态，证实了存在—O、—F、—OH等末端官能团。
其次，是MXSA复合薄膜的制备与微观结构、成分分析。 研究者将不同体积（对应不同质量分数）的MXene分散液与固定浓度（2 wt.%）的SA水溶液混合，经充分搅拌后，通过简单的溶液浇铸和自然蒸发自组装过程，制备了一系列MXene含量从低到高的复合薄膜，依次标记为MXSA 1至MXSA 6，纯SA薄膜标记为MXSA 0。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱验证了复合薄膜中各组分的官能团和化学状态。XRD分析表明，随着MXene含量增加，（002）峰发生轻微蓝移，说明SA分子插入减少，MXene片层间距收缩，且薄膜在储存三个月后未见明显氧化峰，表明SA对MXene起到了保护作用。SEM图像，尤其是截面图像，清晰地揭示了薄膜内部的“珍珠母”状层状结构，其中MXene纳米片充当了“砖块”，而SA则作为“泥浆”起到粘合和连接作用。EDS元素映射图证实了Ti、C、O、F、Na等元素在薄膜中的均匀分布。
第三，是材料的机械性能与刺激响应性能测试。 使用万能试验机对MXSA系列薄膜及纯MXene薄膜进行了拉伸测试，以评估其力学强度。为了量化刺激响应性能，研究者设计了一系列实验：在可控湿度腔内，测量了条形MXSA执行器（尺寸6 mm × 32 mm）在不同相对湿度（RH，从41%到91%）下的弯曲角度；在太阳能模拟器照射下，测量了圆形MXSA执行器（直径45 mm）在不同光强（0–100 mW cm⁻²）下的曲率变化。同时，使用红外热像仪记录了光照下的表面温度分布。为了区分湿度与温度（如手指带来的）对驱动行为的影响，还进行了戴手套与不戴手套的手掌接近对比实验。此外，通过循环测试评估了执行器在湿度/光照反复刺激下的耐久性和稳定性。
第四，是理论与模拟分析。 为了深入理解驱动机制并预测变形行为，研究团队采用了商业有限元分析（FEA）软件Abaqus建立了模型。他们通过拟合实验数据，近似确定了不同MXSA薄膜的湿膨胀系数（用于模拟湿度驱动）和等效收缩系数（用于模拟光照驱动引起的脱水收缩）。然后将这些参数输入模型，模拟执行器在相应刺激下的弯曲变形，并将模拟结果（弯曲角度、曲率、变形形状）与实验观测数据进行对比验证。
第五，是概念验证应用演示。 基于MXSA薄膜的优异性能，研究者设计了多个演示原型：1）湿度响应仿生花：模拟花瓣在不同湿度下的开合行为。2）湿度响应仿生爬行者：模仿尺蠖运动原理，通过交替的湿度刺激实现定向移动，并记录了其位移和步态。3）阳光响应振荡器：在恒定光照下，由于光热效应产生温度梯度导致弯曲，并结合自遮挡效应产生持续的自激振荡。4）阳光控制智能分级开关：利用MXSA薄膜的导电性和光驱动弯曲特性，设计了一个电路。当光照开启时，薄膜弯曲会依次断开两个并联的LED电路，实现根据光照强度分级关闭灯光的功能，展示了其在节能智能设备中的应用潜力。
在机械性能方面，研究取得了显著成果。纯MXene薄膜的拉伸强度仅为17.6 MPa，而纯SA薄膜（MXSA 0）为57 MPa。当引入少量MXene形成复合结构后，机械性能得到极大增强。其中，MXSA 2薄膜（厚度18 μm）表现出最高的拉伸强度，达到72 MPa，是纯MXene薄膜的4倍以上。这种增强归因于成功的仿珍珠母“砖-泥”结构设计。EDS mapping显示的均匀复合和SEM截面显示的规整层状结构为此提供了直接证据。然而，当MXene含量过高时（MXSA 3-6），拉伸强度下降至约50 MPa，这是因为机械性能较弱的MXene本身主导了材料性质，且片层间相互作用较弱。这一结果确定了MXene与SA之间存在一个优化的复合比例。
在刺激响应性能方面，MXSA复合薄膜展现了对湿度和阳光出色的双重响应能力。湿度驱动：薄膜的弯曲角度与环境湿度呈正相关。在91% RH的高湿环境下，MXSA 0-2薄膜能达到约185°的最大弯曲角度。重量变化测试表明薄膜的吸湿量与湿度水平近似线性增长。手掌接近实验证实驱动主要源于湿气而非温度。光照驱动：在100 mW cm⁻²（1个太阳光强）的照射下，MXSA执行器能够向上弯曲，最大曲率达到1.45 cm⁻¹。红外图像证实了光照面温度升高，表明光热效应导致该侧水分脱附、体积收缩，从而产生不对称变形导致弯曲。曲率随光强增加而增大，但也受薄膜厚度和MXene含量的影响，存在一个最佳值（MXSA 2）。循环稳定性测试表明，MXSA执行器在多次湿度/光照循环刺激下，变形程度波动在合理范围内，表现出良好的稳定性。
有限元分析结果与实验数据高度吻合。通过反推得到的湿膨胀系数（MXSA 2为4.8%， MXSA 6为3.4%）和等效收缩系数（MXSA 2为0.02%， MXSA 5为0.009%）被用于模拟。模拟计算出的弯曲角度和曲率与实验测量值匹配良好，可视化变形结果也与实验照片一致。这证明了所建立的模型能够有效预测MXSA执行器在外部刺激下的力学行为，为未来执行器的结构设计和性能优化提供了有力的理论工具。
应用演示成功验证了材料的实用潜力。仿生花和爬行者展示了其作为湿度驱动软体机器人的能力，其中爬行者在32.5秒内完成了约70毫米的位移。仿生振荡器展示了利用恒定自然光实现自主周期性运动的能力。智能开关演示则最具应用启发性，它巧妙地将材料的导电性与光驱动变形结合，实现了非接触式、光强自适应的分级电路控制，为利用环境能源进行节能控制提供了新思路。
本研究的核心结论是：通过一种简便的溶液浇铸自组装法，成功制备了具有仿珍珠母层状结构的MXene/海藻酸钠（MXSA）复合薄膜。该结构设计不仅显著提升了材料的机械性能（最高拉伸强度72 MPa），还协同利用了SA的高吸湿性和MXene的优异光热转换能力，使复合材料能同时响应湿度与阳光这两种广泛存在的环境可再生能量。其驱动机制源于湿气吸附/脱附或光热效应引起的薄膜内部不均匀体积变化。
本研究的科学价值在于：1）为设计兼具高强度与多刺激响应能力的柔性驱动器提供了一种有效的仿生结构策略（“砖-泥”结构）。2）深入探究并量化了MXene与天然高分子SA复合后的力学增强效应及湿度/光双重驱动性能，明确了成分-结构-性能之间的关系。3）通过有限元模拟与实验相结合，为理解此类驱动器的变形力学提供了分析框架。
其应用价值显著：所开发的MXSA执行器可直接利用环境中的湿气或太阳能工作，无需复杂的供电系统，在能源自供型软体机器人、环境自适应智能器件、节能智能开关等领域具有广阔前景。演示的仿生爬行器和分级智能开关等原型，为未来开发更复杂的生物启发式机器人和智能家居系统奠定了基础。
文中通过对比实验（戴手套与否）巧妙地区分了湿度与热刺激对驱动行为的主导作用，明确了该材料在接近人体时的驱动主要源于皮肤散发的水汽，这对其在可穿戴传感或驱动领域的应用具有指导意义。此外，研究还简要探讨了MXSA薄膜的电导率，发现其随MXene含量增加而增加，这为开发电活性与驱动性一体化的器件（如文中演示的智能开关）提供了可能。文章还将MXSA薄膜的力学性能与文献中其他SA基复合材料进行了对比，凸显了其因独特结构而带来的显著强度优势。