碳纳米管生物复合材料性能研究获进展

图1. 悬空放置的条状碳纳米管/壳聚糖聚合物薄膜在电压关(a)和电压开(b)的条件下的光学图片

图2. 在不同波形的电压信号下（红色曲线）下25wt%的碳纳米管/壳聚糖聚合物薄膜的振动位移情况（黑色曲线），其中（a）为施加0.1Hz的正弦波（±2.5V），（b）为施加0.1Hz的正向正弦波（0~5V），（c）为施加0.1Hz的正向三角波（0~5V），（d）为施加0.1Hz的正向方波（0~5V）电驱动材料是一种能在外界电信号的刺激下产生形变的材料，由于它的巨大应用价值，吸引了广大科研工作者的探索兴趣。碳纳米管是一种具有优异的电学、力学、热学等性能的新型纳米材料，自从1999年美国Texas大学的Baughman组首先报道了单臂碳纳米管在电解液中的电驱动现象后，碳纳米管的电驱动研究得到了越来越多的关注。近来，碳纳米管/聚合物复合材料的电驱动性能也同样引起广泛关注，由于碳纳米管的加入可以很好的提高聚合物材料的电学、力学以及热学特性，因此碳纳米管复合材料有望在电驱动领域取得良好的应用前景。最近，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所陈韦研究员课题组在碳纳米管和生物聚合物分子的复合材料的可控电驱动性能研究上取得新进展。该课题组助理研究员胡颖在导师陈韦研究员指导下，采用简单的溶液超声混合、蒸发成膜的方法，制备了碳纳米管/壳聚糖（chitosan）复合物薄膜，其中高导电的碳纳米管在不导电的壳聚糖体中形成了均匀的导电网络结构。当在悬空平放、两端固定的长条状薄膜上施加低压交流信号时，可以观察到其发生上下振动，并且复合物薄膜产生的电-振动位移（波形、频率）和所施加的电信号的波形和频率都保持一致（如图1所示）。该结果表明，通过控制所施加的电信号可以实现复合材料的可控电-驱动。其产生的机理被证实为碳纳米管的电-热能量转换导致的复合物的热膨胀和收缩。碳管生物复合材料的可控电驱动性能的发现和深入研究，可为电驱动材料在人工肌肉、仿生微型机器人，微流道控制系统等领域的应用发展起重要的推动作用。本研究成果已经在美国化学学会ACS Nano网络版发表，同时美国纳米技术与纳米科学网Nanowerk在新闻聚焦栏目（Spotlight）中以Carbon nanotube/biopolymer composites show promise as artificial muscles为题进行了报道和评价。上述研究工作得到国家自然科学基金（10704051）、苏州市科技发展计划项目（ZXG0713）和国家重大科学研究计划（973项目）（2010CB934700）的资助。（来源：中国科学院南京分院）