【儀表網 儀表研發】Janus薄膜由于具有不對稱的結構和獨特的物理或化學性質，在傳感、驅動、能源管理和先進分離等方面表現出了巨大的應用潛力。
 

　　其中，仿生柔性皮膚由于兼具靈敏感知、驅動和功能集成等特點，已經引起了人們廣泛的研究興趣。為實現這些特定的功能，需要選擇合適的活性功能材料并以可控的方式形成不對稱的結構。碳納米材料由于具有優異的導電和導熱性能、本征機械柔韌性、高化學和熱穩定性、易于加工等優點，是一種極具應用前景的活性材料。
 

　　碳納米材料和功能聚合物以可控方式進行不對稱結合可以促進高性能傳感、驅動和集成器件的設計，從而推動智能軟體機器人的發展。因此，迫切需要對碳基Janus薄膜的設計原則進行全面總結，并深入討論表面/界面結構和性能之間的關系，以指導其在柔性智能設備中的應用。
 

　　中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料團隊陳濤研究員、肖鵬副研究員基于在碳基/高分子Janus薄膜的構筑及其柔性傳感和驅動方面的長期研究基礎，受邀在Accounts of Materials Research上發表題為“Carbon-based Janus Films Toward Flexible Sensors, Soft Actuators and Their Beyond”的綜述文章(Acc. Mater. Res. 2023, DOI: https://doi.org/10.1021/accountsmr.2c00213), 系統總結了碳基Janus薄膜的制備策略、結構與性能關系以及傳感和驅動及其一體化集成器件應用方面的研究進展，并對該領域的未來發展進行了展望。
 

　　在該綜述中，作者首先討論了幾種常見的碳納米材料(例如，碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯和還原氧化石墨烯、石墨和炭黑等)的基本性質和優缺點，以此來引導人們根據所需的性能和應用場景選擇合適的材料。隨后介紹了碳基Janus薄膜通用的制備策略，并根據制備過程中基底不同，將其分為固體支撐的物理和化學策略以及液體支撐的界面策略。其中，重點討論了不同的設計原則和表面或界面結構以及性能之間的關系，以此來指導設計高性能器件。具有不對稱功能耦合的碳基Janus薄膜進一步通過構建特殊表面微結構來實現高性能電子皮膚的開發，同時還能以支撐和自支撐構型用于非接觸式感知。此外，由于碳納米材料優異的光熱轉化以及濕度響應性能和聚合物層的功能可設計性，碳基Janus薄膜在高性能光熱驅動、濕度驅動以及多刺激響應驅動器中取得了巨大進展。基于碳材料優異的導電和傳感性能，碳基Janus薄膜還可以設計成自感知軟體驅動器，極大推動了智能軟體機器人的發展。
 

　　盡管碳基Janus薄膜在傳感、驅動和一體化柔性器件的開發中得到了長足的發展，但仍然存在一些問題和挑戰亟需解決。首先，碳納米材料應用到植入式傳感或驅動器件中時，需要考慮和生物相容性材料進行復合或者對器件進行封裝來降低毒性風險。其次，為實現穩定的驅動和精確的傳感信號反饋，需要進一步提高兩相界面的結合強度。同時，賦予碳基Janus薄膜多功能性，例如自愈合、抗腐蝕、耐高溫、抗凍等，以增強其在復雜、惡劣環境中的適應性。不僅如此，還需探索高效易得的方法以實現碳基Janus薄膜可控圖案化，來構建高精度、定位傳感器和可編程的多階段驅動器。最后，為實現碳基Janus薄膜的大規模生產以及推動其在智能軟體機器人中的發展，結合可擴展的界面制備策略和先進的打印以及卷對卷加工等技術似乎是一種不錯的選擇。
 

　　該論文得到了國家自然科學基金(52073295)、國家重點研發計劃項目(2022YFC2805204、2022YFC2805202)、國家自然科學基金委中德交流項目(M-0424)、浙江(之江)實驗室開放研究項目(No.2022MG0AB01)、中國科學院前沿科學重點研發項目(QYZDB-SSW-SLH036)、王寬誠教育基金(GJTD-2019-13)等項目的支持。(中科院海洋新材料與應用技術重點實驗室 周偉)
 

基于先進制造技術構建碳基Janus薄膜用于傳感、驅動及其一體化智能柔性器件