一、文章概述

文章中，報(bào)告了一種通過(guò)真空輔助過(guò)濾方法與Ti3C2Tx(MXene)和單寧酸(TA)集成，成功構(gòu)建了一種基于纖維素納米纖維(CNF)的薄膜驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器具有高機(jī)械性能、優(yōu)異的焦耳加熱和抗菌能力。由于其獨(dú)特的nacrelike結(jié)構(gòu)和強(qiáng)氫鍵，復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度和韌性分別達(dá)到275.4 MPA和10.2 MJ·m3.重要的是，CNF的親水性和MXene納米片的可變層間距賦予復(fù)合膜敏感的濕度響應(yīng)和非凡的穩(wěn)定性（1000次循環(huán)）。在MXene納米片和TA的輔助下，復(fù)合膜不僅具有優(yōu)異的焦耳加熱性能，而且對(duì)革蘭氏陰性大腸桿菌和革蘭氏陽(yáng)性金黃色葡萄球菌都具有顯著的抗菌性能。得益于上述優(yōu)點(diǎn)，概念驗(yàn)證智能服裝由制備的薄膜組裝而成，能夠調(diào)節(jié)濕度和溫度。
二、圖文導(dǎo)讀

圖1.方CNF-MXene-TA復(fù)合膜的制作示意圖(a)；濕度響應(yīng)性能、電反應(yīng)加熱和抗菌能力(b)在室溫下，通過(guò)簡(jiǎn)單的真空輔助過(guò)濾自組裝法，將TA溶液加入CNF和MXene的混合溶液中，制備了具有納米狀結(jié)構(gòu)的CNF-MXene-TA復(fù)合膜，

如圖1所示。


圖2 CNF-MXene-TA復(fù)合膜的表征。
圖2a表面所得到的CNF-MXene-TA復(fù)合膜為明亮的黑色，折疊90°后表現(xiàn)出彈性，相應(yīng)的橫斷面掃描電鏡圖像顯示了整個(gè)薄膜中相當(dāng)有序的緊密層狀微觀結(jié)構(gòu)，為規(guī)則層狀結(jié)構(gòu)。結(jié)果歸因于CNF和MXene之間的界面相互作用增強(qiáng)，源于活性鄰苯二酚基團(tuán)的引入。放大后的掃描電鏡圖像(圖2c)顯示，MXene納米片均勻分布在CNF基質(zhì)中，并沿著平面路徑緊密堆疊，使復(fù)合薄膜具有較高的導(dǎo)電性和優(yōu)良的力學(xué)強(qiáng)度。XRD、FTIR和XPS來(lái)更好地驗(yàn)證CNF、MXene和TA之間的化學(xué)結(jié)構(gòu)和氫鍵相互作用。圖2 g-i表明由多個(gè)氫鍵自組裝的納米結(jié)構(gòu)，得到的CNF-MXene-TA復(fù)合膜表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和韌性。

圖3.CNF-MXene-TA-II復(fù)合薄膜執(zhí)行器的濕度響應(yīng)性能。
隨著水溫從20°C增加到45°C，CNF MXene TA-II復(fù)合帶的最大彎曲角度從79°增加到180°，彎曲速度顯著增加當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度從20%增加到70%時(shí)，CNF MXene TA II復(fù)合膜條的彎曲速度顯著降低（圖3b）。較薄的復(fù)合膜（10μm）具有較大的彎曲角，但由于其剛度較低，彎曲穩(wěn)定性較差；較厚的復(fù)合膜（30μm）由于其高剛度而具有較小的彎曲角（圖3c）。復(fù)合膜的理想厚度為15μm。在高濕度梯度條件下（水溫為40°C，環(huán)境相對(duì)濕度為20%），薄膜在3.5 s內(nèi)經(jīng)歷180°的彎曲角，幾乎恢復(fù)到其初始狀態(tài)去除濕度梯度后的原始狀態(tài)。整個(gè)彎道伸直過(guò)程大約需要10秒（圖3d）。如圖3e所示，這種彎曲-不彎曲過(guò)程可重復(fù)1000次以上，這意味著驅(qū)動(dòng)變形的外部重復(fù)性和良好穩(wěn)定性。此外，復(fù)合薄膜致動(dòng)器具有超短的驅(qū)動(dòng)時(shí)間和彎曲振幅，其性能優(yōu)于其他文獻(xiàn)中報(bào)道的濕度響應(yīng)薄膜致動(dòng)器。

圖4.復(fù)合薄膜執(zhí)行器的焦耳加熱性能。
MXene納米片因其優(yōu)異的導(dǎo)電性而賦予復(fù)合薄膜執(zhí)行器良好的焦耳加熱性能，在智能和可穿戴的熱管理方面具有很大的前景。圖4a表明CNF-MXene薄膜的平均導(dǎo)電率隨著MXene含量的增加而顯著增加，這是由于在CNF基質(zhì)中連續(xù)形成了高效的MXene導(dǎo)電途徑。如圖4b所示，CNFMXene-TA-II復(fù)合膜的表面溫度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)迅速升高，然后達(dá)到平衡值；在5V輸入電壓下，CNF-MXene-TA-II復(fù)合膜的表面溫度從20°C增加到37.2°C，滿足人體的標(biāo)準(zhǔn)要求。由于較高的傳遞電流產(chǎn)生較大的焦耳加熱，穩(wěn)態(tài)飽和溫差隨著供給電壓的增加而顯著增加。當(dāng)供電電壓為12.5V時(shí)，溫差可超過(guò)72°C(圖4c)。圖4d-e明復(fù)合膜具有良好的加熱耐久性良和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

三、全文總結(jié)

作者通過(guò)簡(jiǎn)單的真空輔助自組裝方法成功制備了一種高性能的濕敏復(fù)合薄膜驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器由纖維素納米纖維、MXene納米片和TA組成，具有優(yōu)異的焦耳加熱和抗菌能力。MXene納米片和TA分子均勻地結(jié)合在CNF基質(zhì)中，以構(gòu)建獨(dú)特的nacrelike結(jié)構(gòu)。CNF、MXene和TA之間的強(qiáng)氫鍵相互作用使復(fù)合膜具有275.4 MPA的高抗拉強(qiáng)度、5.8%的高斷裂應(yīng)變和10.2 MJ·m3的韌性，從而滿足智能穿戴設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的一些關(guān)鍵要求。最重要的是，由于CNF的快速吸收和解吸以及MXene在水梯度誘導(dǎo)下的層間間距變化，復(fù)合膜具有優(yōu)異的濕度響應(yīng)性能，彎曲速度（53.4°/s）和超高穩(wěn)定性（1000次循環(huán)，無(wú)劣化）。此外，復(fù)合薄膜驅(qū)動(dòng)器在低電壓下顯示出足夠的焦耳加熱效率，對(duì)人體健康，并且對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有良好的殺菌作用。鑒于所有這些特點(diǎn)，復(fù)合薄膜致動(dòng)器被設(shè)計(jì)為一種智能服裝，能夠調(diào)節(jié)人體的濕度和溫度。這項(xiàng)研究為開(kāi)發(fā)用于智能穿戴設(shè)備的高性能、多功能致動(dòng)器提供了新的途徑。

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