- 多孔薄膜太陽(yáng)能發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)成功
- 發(fā)布日期：2022-10-27
10月25日，從南開(kāi)大學(xué)傳出消息，該校化學(xué)學(xué)院劉遵峰教授、陳永勝教授與中國(guó)藥科大學(xué)理學(xué)院周湘副教授團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)出一種基于多孔柔性聚丙烯/炭黑薄膜的自振蕩人工肌肉驅(qū)動(dòng)器，并探索了作為發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)出“太陽(yáng)能人工肌肉發(fā)動(dòng)機(jī)”，為高效利用太陽(yáng)能開(kāi)辟了一條新路徑。
據(jù)介紹，該研究首次實(shí)現(xiàn)了在包括太陽(yáng)光、紅外光和模擬太陽(yáng)光等發(fā)散光下的自振蕩驅(qū)動(dòng)，也實(shí)現(xiàn)了在不同發(fā)散光照射角度下的自振蕩運(yùn)動(dòng)。這種光響應(yīng)自振蕩驅(qū)動(dòng)器具有優(yōu)異的振蕩做功性能，出色的負(fù)載能力和較高的能量轉(zhuǎn)換效率，并在溶劑不斷供應(yīng)的情況下保持持續(xù)振蕩運(yùn)動(dòng)，不會(huì)停止。
驅(qū)動(dòng)器是一種在外界環(huán)境刺激下產(chǎn)生機(jī)械變形，并將光能、熱能、化學(xué)能等各種環(huán)境能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力的硬件，也是微機(jī)電系統(tǒng)、光發(fā)動(dòng)機(jī)等應(yīng)用場(chǎng)景中不可或缺的核心部件。研發(fā)一種自發(fā)且持續(xù)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的軟體驅(qū)動(dòng)器是該領(lǐng)域的關(guān)鍵難點(diǎn)之一。
“自振蕩是生物有機(jī)體的一個(gè)重要特性，比如心臟跳動(dòng)、細(xì)胞循環(huán)等，為設(shè)計(jì)連續(xù)運(yùn)動(dòng)的軟體機(jī)器人及自主智能裝置提供了方向。”劉遵峰介紹，目前已有科研團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了光響應(yīng)自振蕩驅(qū)動(dòng)器，然而，在太陽(yáng)光等散射光刺激下發(fā)生自振蕩運(yùn)動(dòng)并用于機(jī)械做功始終沒(méi)能實(shí)現(xiàn)。
研究人員發(fā)現(xiàn)，聚合物薄膜中的溶劑蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致體積收縮且光照射薄膜一側(cè)會(huì)加速薄膜內(nèi)部溶劑蒸發(fā)，導(dǎo)致各向異性體積收縮，從而產(chǎn)生向光彎曲。“實(shí)驗(yàn)證明，在薄膜中引入多孔結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)溶劑分子的質(zhì)量傳遞，從而導(dǎo)致薄膜材料發(fā)生更快的彎曲速度和更大的彎曲幅度。因此，我們認(rèn)為，基于多孔薄膜的光誘導(dǎo)溶劑蒸發(fā)可能是實(shí)現(xiàn)自振蕩驅(qū)動(dòng)的良好候選者。”劉遵峰說(shuō)。
在上述研究的基礎(chǔ)上，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)最終設(shè)計(jì)研發(fā)出這種基于太陽(yáng)光的自振蕩驅(qū)動(dòng)薄膜。它主要通過(guò)光熱衍生的溶劑蒸發(fā)引起的聚丙烯/炭黑聚合物薄膜兩側(cè)的交替體積減小實(shí)現(xiàn)振動(dòng)。聚合物薄膜中的各向異性溶劑蒸發(fā)和快速梯度擴(kuò)散在發(fā)散光的照射下維持振蕩彎曲驅(qū)動(dòng)。
“這項(xiàng)工作為‘太陽(yáng)能發(fā)動(dòng)機(jī)’提供了一種全新的設(shè)計(jì)策略，有助于自驅(qū)動(dòng)設(shè)備的研發(fā)，并將促進(jìn)其他領(lǐng)域跨學(xué)科交叉，助力智能材料、柔性器件等智能設(shè)備領(lǐng)域的快速發(fā)展。”陳永勝介紹說(shuō)。
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