基于MXene/丝素蛋白纳米复合材料的仿生促动器在实验教学中的设计与探索

2023-10-27杜春保朱亚楠薛丹程渊

当代化工研究 2023年19期

＊杜春保朱亚楠薛丹程渊

（1.西安石油大学化学化工学院陕西 710065 2.苏州工业园区蒙纳士科学技术研究院江苏 215000）

自然界中许多动植物拥有感应外部环境中自然能量的变化并对此做出相应的机械运动的能力，如向日葵追踪太阳的运动，松果鳞片在干燥和潮湿的环境分别打开和闭合鳞片，果蝇感知并向光源方向飞行。大自然的这些行为激发了人类研制具有环境刺激响应特性的促动器的兴趣。促动器也叫执行器、制动器、驱动器，可以在外部刺激下（电场、温度、溶剂、湿度和光等）实现可控的机械响应[1]，将输入的能量转换成二维或三维运动，在无接触式智能设备中展现出了广阔的应用价值[2-3]。针对学生层次和教学目的的差异性，本实验在不使用任何有机化学试剂的条件下设计了“基于MXene/丝素蛋白纳米复合材料的仿生促动器”实验，编排了不同的模块可以拓展为基础综合实验、设计实验与创新实验。通过不同模块实验的结合使学生建立全局思维，并逐步培养发现问题、分析问题和解决问题的能力，增强学生的创新意识与实践能力。在《化学类专业本科教学质量国家标准》[4]中，教育部高等学校化学类专业教学指导委员会提出“应注重培养学生创新意识和实践能力，引入基础和应用研究的新进展”等内容。本实验项目的设计是基于国家标准，并符合当前国家“双碳”和绿色化学理念，摒弃了当前化学实验教学弊病，与新时代化学教育的导向和方针相契合。

1.实验部分

（1）实验原理：本实验首先通过蚕茧提取丝素蛋白，然后采用非共价自组装方法，实现二维材料MXene Ti3C2Tx与丝素蛋白在水溶液中的结合，并通过简易的真空抽滤，即可得到MXene/丝素蛋白纳米复合薄膜。将MXene/丝素蛋白纳米复合薄膜裁剪成一定形状制成仿生促动器，通过近红外光、湿度的控制探索仿生促动器对光和湿度的响应性能。（2）试剂及材料：完整蚕茧，家庭自养获得。碳酸钠（Na2CO3）、氯化钙（CaCl2）均为分析纯，购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。MXene Ti3C2Tx购于苏州北科纳米科技有限公司。0.45μm水系过滤膜购于杉羽（天津）科技发展有限公司。（3）仪器和表征方法：透析袋（3500Da），上海阿拉丁生化科技股份有限公司。集热式磁力搅拌器（DF-101S），上海仪昕科学仪器有限公司。超声波清洗器（KH-250DB型），昆山禾创超声仪器有限公司。高速离心机（TG20G），河南北弘实业有限公司。真空冷冻干燥机（LC-10N-50A），上海力辰邦西仪器科技有限公司。808nm近红外激光灯（LSR808H），宁波远明激光技术有限公司。接触角测量仪（JC2000 DS），上海中晨数字技术设备有限公司。无油隔膜真空泵（VP-10L），达尔拓。真空干燥箱（DZ-IBCIV），天津泰斯特。加湿器（HM-101），海纳斯。（4）实验步骤：①丝素蛋白的提取：将完整蚕茧剥开除去蚕蛹后，称量10g切成小块加入500mL的Na2CO3溶液（0.02mol/L）除去丝胶。脱胶的蚕茧用去离子水清洗2次后，然后置于60℃的鼓风干燥箱中干燥2h。将干燥的丝纤维溶解在500mL的CaCl2（6mol/L），在60℃的恒温水浴中加热2h。待冷却至室温后，用去离子水在冰浴中透析4h后，以9500rpm离心20min除去杂质，通过真空冷冻干燥机干燥24h即得丝素蛋白。注意，冷冻干燥过程不占用实验总时长。②MXene/丝素蛋白纳米复合薄膜和仿生促动器的制备：将MXene Ti3C2Tx水溶液（5mg/mL）在室温下进行超声30min，超声功率为100W。取40mg丝素蛋白加入50mL的广口烧杯中，将15mL的去离子水沿着玻璃杯缓慢滴在丝素蛋白表面，待溶解均匀后，缓慢摇晃，即得到丝素蛋白溶液。取超声后的MXene溶液1mL，加入丝素蛋白溶液中，在室温下进行搅拌30min。待自组装完成后，采用溶剂过滤器对混合溶液进行抽滤，将得到的尚未干燥的薄膜在真空干燥箱中50℃干燥30min，即可得到MXene/丝素蛋白纳米复合薄膜。将MXene/丝素蛋白纳米复合薄膜裁剪成一定形状（可根据个人爱好），即可得到仿生促动器。③近红外光和湿度促动性能：采用808nm近红外激光灯对仿生促动器的特定位置进行间歇式地照射，研究仿生促动器在近红外光照射下的促动性能，功率控制为1W。采用小型加湿器制造湿度环境，研究仿生促动器在湿度环境下的促动性能，室内相对湿度为44.8%，温度26.8℃。

3.结果与讨论

（1）润湿性能。MXene/丝素蛋白纳米复合薄膜在反复进行弯曲后仍然可以保持良好的完整性，而纯MXene薄膜在反复弯曲后则容易断裂。由于MXene/丝素蛋白纳米复合薄膜为双层结构，其基底层为混合纤维素滤膜，活性层为MXene/丝素蛋白复合材料，这两层的亲水性具有较大的差异，从而与水分子之间的结合能力以及吸附容量存在差异。为了证实这一猜想，采用滴管将一滴水分别滴在MXene/丝素蛋白纳米复合薄膜的基底层和活性层表面。通过观察可以发现，水滴在基底层上可以迅速铺展开，而在活性层表面则呈现半球形，这表明基底层具有超强的亲水性，而MXene/丝素蛋白复合层的亲水性则低于基底层，这是由于丝素蛋白在与MXene进行自组装的同时也会改变丝素蛋白的二级结构，从而暴露出部分疏水区域，而这种特性对于增强基底层与活性层之间的亲疏水差异十分重要，也会决定MXene/丝素蛋白纳米复合薄膜的刺激响应性能。

（2）仿生促动器的近红外光促动性能。MXene/丝素蛋白纳米复合薄膜可以被裁剪为特定形状制成仿生促动器。如图1（a）所示，在808nm的近红外光照射下，仿生促动器可以产生向右的弯曲运动。原理是在近红外光照射下，仿生促动器的活性层会吸收近红外光，将其转化为热[5]，而基底层的光热转化效率极低，导致仿生促动器的基底层和活性层之间的膨胀系数和应变系数存在差异，从而使得仿生促动器产生弯曲运动。

图1 仿生促动器在808 nm近红外光照射下的促动性能（a）和促动机理（b）

从受力角度而言，如图1（b）所示，仿生促动器的受光刺激部位位于左侧肩部，左端整体受力平衡，不发生移动，而右端受力不均匀，合力向右，从而向右移动。当移除光源后，仿生促动器受到的左端合力向右，从而左端向右移动，而右端合力向左，向左移动，但右端移动位移大于左端。受惯性作用，仿生促动器还会发生进一步的伸展，左端位移较小，右端位移较大，从而使得仿生促动器产生整体向右移动的现象。

（3）仿生促动器的湿度响应性能。由于自然湿度环境差异较难控制，本实验采用普通加湿器模拟自然湿度环境差异，探索仿生促动器的湿度响应性能。如图2（a）所示，仿生促动器在湿度较低的环境下处于弯曲状态。当打开加湿器时，环境的湿度较大，仿生促动器在18s内呈现不同的伸展状态，并最终完全展开。如图2（b）所示，当关闭加湿器时，环境湿度急剧降低，仿生促动器在24s内呈现不同的弯曲状态，并最终恢复至与初始状态接近的完全状态。如同前面所得到的分析结果，仿生促动器的基底层与活性层对水具有明显的润湿差异，从而导致膨胀系数和应变系数的差异，进而使得仿生促动器产生弯曲运动。

图2 仿生促动器在高湿度（a）和低湿度（b）环境下的响应性能

（4）实验拓展。本实验的原理是基于仿生促动器的双层结构对光或热的不同刺激响应所引起的膨胀系数和应变系数的差异进而促使仿生促动器的弯曲运动。因此，根据这一原理，可以将本实验的基底层更换为聚醚砜、醋酸纤维素或亲水聚四氟乙烯，将光热响应物质MXene更换为氧化石墨烯、黑磷纳米片或MoS2纳米片，进一步探索其在光、湿度环境下的促动可能性以及促动性能之间的差异。

4.结语

本实验将仿生学引入课堂，合成了一系列仿生促动器，探索了其对光、湿度的响应性能，将科技前沿引入了基础教学之中，通过交叉学科的融合，激发学生对实际应用的畅想，并引导学生探索物质结构与性能之间的关系。本实验切合化学实验教学实际，涉及物理化学和高分子化学与物理等多个化学二级学科，并打破传统的学科壁垒，融入力学和仿生学特征，培养学生的多学科交叉融合理念和创新思维。本实验具有较强的拓展性，可拓展为小型综合实验、综合实验、设计实验和创新实验（见表1），适应不同层次化学实验教学的要求[6]。