二维碳管/高分子弹性体非对称复合薄膜的界面构筑及其传感性能研究

Owing to the unique asymmetric physical and/or chemical features of Janus material, it has emerged as a promising candidate in the field of catalysis, surfactant, separation, self-assembly, actuators, sensors, etc. Since the studies of Janus films remain limited, a simple, high-efficient and scalable strategy is highly desired for precisely designing the asymmetric films with strictly distinguished physical and/or chemical properties. In this project, we will present an interfacial self-assembly and asymmetric composite approach, in which the self-assembled carbon nanotubes (CNTs) film will experience an in situ interfacial asymmetric composite with the polymer elastomers, to achieve the Janus film with well-controlled physical, chemical, mechanical and electrical properties. We will further explore the synergy effect of conductivity and functionality of the resulted composite film to construct self-adhesive strain sensors and to further realize non-contact sensing application. It is significantly scientific important of our project, which will raise a new idea of interface design of Janus composite film material and contribute to the development of new structural and functional Janus film system.

非对称材料因其独特的物理结构和/或化学组成在催化剂、表面活性剂、分离、自组装、驱动器和传感器等领域有着良好的应用前景。但目前对于二维非对称薄膜的研究还十分不足，尚缺少相应的物理结构和化学组成严格区分以及精确调控的简单、高效、大规模制备方法。本项目拟采用界面自组装及非对称复合策略，对水/空气界面自组装得到的碳纳米管（CNTs）薄膜进行高分子弹性体的原位界面非对称复合，获得物理结构、化学功能、力学/电学性能可调的非对称复合薄膜材料。通过调控CNTs和高分子弹性体的本征参数、界面自组装及非对称复合热力学和动力学，探索CNTs导电性和高分子功能性的协同效应，构建自粘附张力传感器，实现该薄膜的柔性力学传感检测并尝试其在非接触传感领域的应用。该项研究为非对称复合薄膜材料的界面设计提出了新的思路，对具有新型结构和功能的界面材料的开发奠定了重要的基础。

非对称薄膜材料的出现为新型功能二维材料的设计、制备及其构效性研究开辟了新的方向，但仍缺少一种简单、高效、大面积以及精确可控的材料制备方法，其应用研究也仅是初步尝试，真正实现非对称组分功能协同的研究还很少。在本项目中，我们主要研究内容包括：1）CNTs在水/空气界面可控自组装成膜的研究；2）CNTs薄膜的高分子弹性体原位界面非对称复合的研究；3）CNTs/高分子弹性体非对称复合薄膜的张力传感性能研究。首先，我们对水-空气界面组装的碳纳米管（CNTs）薄膜进行界面陈化处理（温度、时间调控），实现了其再组装，获得了空气侧疏水（约130度），水侧亲水（约80度）的非对称浸润性的碳纳米管薄膜；同时对二维纳米材料，如物理剥离的石墨烯片层进行界面组装，同样获得了具有不同厚度（100纳米到500纳米）的石墨烯自组装薄膜。进一步我们将所获得石墨烯薄膜多次转移到聚合物表面，获得了非对称复合功能薄膜；通过调控碳纳米管薄膜的厚度（100纳米到1微米）、高分子弹性体种类（聚二甲基硅氧烷，Ecoflex）以及厚度（10微米到100微米）、成膜温度（25度到80度）可有效的调控Janus弹性导电薄膜的导电性能以及粘附性能。基于此，我们发展了一系列的张力传感功能应用，如可穿戴表皮电子实现对微小脉搏、肢体运动的灵敏监测；发展了自支撑式张力传感器，实现对于压力、温度、气流等信号的非接触式检测；此外，我们进一步集成了基于Janus薄膜的自感知水下驱动器，可实现气动驱动过程中的自身运动感知以及外界振动信号的灵敏感知。通过本项目的实施，将深入了解碳纳米材料的界面组装方法及机制，掌握碳纳米材料薄膜与高分子材料的界面复合方法及内在调控机制，为发展新型的自支撑式传感器及其多功能应用奠定了重要的研究基础。