基于二氧化钒和碳纳米线圈复合的纳米光致驱动器研究

Based on the advantages of the wireless control, actuation by solar energy, wavelength selectivity, etc., photo-actuators play a significant role in the smart systems. Compared with photo-actuators at macroscopic scale or microscale, the development of photo-actuators at nanoscale is a great challenge. Vanadium dioxide (VO2) is a superior driving material for actuators at micro and nanoscale because of such merits as high work density, fast response, excellent phase transition property at nanoscale, and high micro-fabrication compatibility. Quasi one-dimensional carbon nanocoils（CNC）are coiled carbon nanotubes, which have excellent optical absorption and thermal property. In this project, based on the composite of VO2 and the individual CNC, utilizing the synergistic effect of high optical absorption of the carbon nanomaterial and the high strain output of phase transition material, the photo-actuators at nanoscale with high performance will be developed. In addition, in this project, based on the unique structural characteristics of the CNC of both an one-dimensional nanowire and a helix, the photo-driven bending and torsional VO2/CNC nanoactuators with high performance will be developed, respectively, which realizing the photo-driven nanoactuators with various output modes. This project will promote the miniaturization process of photo-driven actuators to the nanoscale and the realization of the photo-driven torsional nanoactuators with high performance will provide new elemental units for the nano-opto-electro-mechanical system, nano-robots and so on.

基于无线操控性、太阳光可激励性和激发波长可选择性等优势，光致驱动器在智能系统中发挥着极其重要的作用。相比于宏观或微米尺度的光致驱动器，纳米尺度光致驱动器的构建十分具有挑战性。二氧化钒具有功密度高，响应快，纳米尺度下良好的相变特性，与微加工工艺兼容性好等优点，是一种非常理想的微纳驱动材料。准一维碳纳米线圈是一种螺旋状碳纳米管，具有优异的吸光和热学特性。本项目在二氧化钒与单根碳纳米线圈复合的基础上，利用碳纳米材料高吸光和相变材料高应变输出的协同作用，发展高性能纳米尺度光致驱动器。此外，本项目还将利用碳纳米线圈兼具一维纳米线和空间螺旋的结构特征，分别构建性能优异的弯曲型和旋转型二氧化钒/碳纳米线圈光致驱动器，实现具有不同输出模式的纳米光致驱动器。本项目的实施不仅将推动光致驱动器纳米化的进程，而且高性能旋转型纳米光致驱动器的实现也将为纳米光机电系统和纳米机器人提供新的构造基元。

基于无线操控性、太阳光可激励性和激发波长可选择性等优势，光致驱动器在智能系统中发挥着极其重要的作用。相比于宏观或微米尺度的光致驱动器，纳米尺度光致驱动器的构建十分具有挑战性。二氧化钒具有功密度高，响应快，纳米尺度下良好的相变特性，与微加工工艺兼容性好等优点，是一种非常理想的微纳驱动材料。本项目通过二氧化钒与单根碳纳米管复合构建纳米尺度光致驱动器。通过器件结构设计，实现了可双向运动的纳米光致驱动器，克服了传统驱动器近能单向运动的缺点。在此基础上，还构建了光驱动纳米镊子。将相变材料石蜡与MXene薄膜复合，构建高性能光致驱动器。由于极佳的热敏性能，该驱动器可以被人体热辐射所驱动。将二氧化钒转移至蝴蝶翅膀上，构建了可变色的光致驱动器。除了上述研究外，项目负责人还开展了柔性二氧化钒红外探测器、太赫兹调制器等方面的研究，推动了二氧化钒柔性功能器件的发展。在本项目的资助下，项目负责人已在本领域重要期刊上发表SCI论文8篇，其中包括影响因子10以上论文2篇，2篇论文被选为年度热点论文和封面论文，申请发明专利6篇。项目负责人获2020年度北京市科技新星称号。顺利毕业硕士研究生1名，该毕业生获得国家奖学金、北京工业大学优秀毕业生、北京市优秀毕业生等荣誉。在国内外重要学术会议做邀请报告4次。本项目的顺利执行为项目负责人进一步从事相关材料和器件研究奠定了良好的基础。