快速构筑多重刺激响应性微凝胶自支持膜及其在促动器领域的应用

Actuator is a type of device that can transfer external energy into controllable 3D responsive movements. Actuator can substitute for people working in dangerous or unfavorable environment. Based on recent research, actuators made from stimuli-responsive films can only response to a single stimulus such as ultraviolet light or water content contained within the films. And the stimuli used for driving the actuators in these researches also have some defects. First of all, long-term UV irradiation would result in the damage to actuation materials and biological systems. Secondly, the water contained within the films can be easily interfered by external environment, which limits the practical application of these actuators. In this project, we aim at fabricating a kind of actuators by using microgel based free-standing films. These actuators can be driven by multiple stimuli and can hardly be interfered by external environment. Under stimuli, microgel free-standing films will swell or shrink greatly, which enables fast and reversible bending/unbending motions of the bilayered actuator composed by free-standing films and the supporting layer. The actuators have a high sensitivity and fast responsive speed. Moreover, the key factors that would influence the responsive behavior of microgel films will be by systematically studied. This project is helpful for developing a new type of film materials with multiple stimuli-responsive abilities, and can promote the applications of these actuators in building miniaturized devices capable of fast response to a wide variety of stimuli and efficient energy transfer.

促动器是一类可以在外界刺激下发生3D响应性运动的装置，它可以代替人类在危险或不宜生存的环境中作业。目前以膜材料为促动器的研究主要是利用紫外光或膜中含水量变化这种单一刺激驱动制动的。并且紫外光会对材料本身以及生物体产生较大影响；而膜中含水量变化受外界环境影响较大，所能产生的响应能力也有限,这限制了促动器在实际条件下的应用。本项目致力于制备多重刺激响应的受外界环境影响较小的微凝胶自支持膜促动器。该自支持膜可以在外界刺激下产生较大程度的体积变化，进而带动表面的辅助层可逆地发生快速的弯曲伸直运动。所制得的促动器具有较高的灵敏度和快速的响应速率。并进一步对影响自支持膜响应能力的关键因素进行系统地研究。本项目的开展有利于开发新型的具有多重刺激响应功能的膜材料，并推动其在制备多重响应的具有较高能量转化效率的微型器件等领域的应用。

能源和环境问题是当今社会的两大热点问题。本项目针对当前研究热点问题，在实现了多重刺激响应的自支持膜及促动器制备工作的基础上，在制备高强度室温自修复材料和多孔材料合成及其催化性能研究领域开展了深入的研究，并取得了一定的进展。自修复材料不仅能有效地能延长材料的使用寿命，提高其安全性和耐用性；还能有效地缓解自然资源的消耗和环境污染等重要社会问题。本项目致力于解决本征型室温自修复材料机械强度差的主要问题，利用多重超分子相互作用间的协同增强作用及原位生成的无机纳米填料对聚合物的增强作用，实现了简单、快速、大规模制备可室温自修复的具有高强度、高拉伸性、高韧性的聚合物复合物材料的制备；并进一步开发了高强度可室温修复材料在阻尼方面的应用。所制得的室温自修复材料的最佳机械强度高达41.2 MPa，断裂伸长率为830％，韧性高达127.2 MJ m-3，修复效率高达92％。其强度为目前文献报道的室温自修复材料最大机械强度的约3倍。有效解决了室温自修复材料机械形成差的问题。另一方面，多孔材料大的比表面积、可控的孔径孔容，使其成为了催化剂材料良好的载体，在催化领域具有重要应用。多孔材料孔径的限域作用有利于稳定催化剂，增加催化活性；同时材料大的比表面积可以促进催化反应中的物质传输。在多孔材料方面，本项目致力于开发多种多孔材料的制备方法，实现不同种类的多孔材料，包括，多孔聚合物材料、碳纳米材料、金属氧化物材料、荧光粉等的制备。通过调控反应参数，实现比表面积和孔径分布的调控，合成出适应于不同催化反应的催化剂载体。并系统研究了这些材料在多种催化反应中的催化活性，实现了材料在催化反应中应用。