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南京邮电大学《Small Methods》:基于石墨烯泡沫的浮动致动器,用于智能控制和生物医学等

材料分析与应用  · 公众号  ·  · 2025-01-23 16:43

正文


1 成果简介


能将环境能量转化为机械功的智能刺激响应致动器已引起人们的极大兴趣。在不同的致动器原理中,马兰戈尼效应因其简单、高效、远程操控和水环境适应性而独树一帜。然而,化学和物理马兰戈尼驱动器都面临着各自的挑战,如有限的化学负荷、精确的光照和相对较差的运动可控性。 本文, 南京邮电大学 Wei Wang、吉林大学 张永来 教授等在《Small Methods》期刊 发表名为“ Graphene Oxide Foam-Based Floating Actuators Manipulated via Dual-Marangoni-Effect Propulsion and Magnetic-Field-Guided Navigation ”的论文 ,研究 通过激光直接写入(DLW)技术制造了基于氧化石墨烯泡沫(GOF)的浮动致动器,可通过马兰戈尼效应和磁场进行双重操纵。 这是首次实现双马兰戈尼效应致动器的工作。具体地说,通过化学马兰戈尼效应驱动的致动器可以达到 0.57 rad s-1 的平均速度。同时,光热马兰戈尼效应驱动的致动器能够达到 0.17 rad s-1 的平均速度,而在磁场操纵下的平均速度为 1.34 cm s-1。多场耦合和双重马兰戈尼效应使致动器更加灵活和智能,在智能控制和生物医学工程领域具有广阔的应用前景。

2 图文导读


图1、GOF 和 RGOF 的制备过程的示意图,以及通过化学/光热马兰戈尼效应和磁场对五角星致动器的操纵。


图2、a) Raman spectra of RGOF prepared under different intensities. b) X-ray photoelectron spectra of GOF and RGOF prepared under different laser intensities. c) Elemental content of different samples (carbon, nitrogen, and oxygen). d) C1s spectra of GOF. e) C1s spectra of GOF/RGOF. f) C1s spectra of RGOF. g). Fourier-transform infrared spectroscopy of GOF and RGOF. h) X-ray diffraction patterns of different samples.


图3、a) SEM image of a smooth surface of GOF and b) a magnified SEM image of the GOF surface. c) SEM image of porous structure of RGOF fabricated via laser reduction (1 W) and d) magnified SEM image. e) SEM image of porous RGOF fabricated via laser reduction (1.4 W) and f) high-resolution SEM image of RGOF.


图4、a) X-ray photoelectron spectra of GO-SDS foam and RGO-SDS foam. b,c) C1s spectra of GO-SDS foam and RGO-SDS foam. d) Dependence of motion speed and duration on foam thickness. e) Relationship between actuator thickness and actuator weight. f) Influence of SDS contents on motion time.


图5、a) Video screenshots of motion behavior of pentagonal GOF actuator driven by chemical Marangoni effect. b) 3D motion trajectory diagram of actuator. c) Force analysis diagram of pentagram actuator with complete structure. d) Force analysis diagram of pentagram actuator with incomplete structure.


图6、a) Photograph of a pentagram GOF/RGOF actuator. b) Video screenshots of actuator driven by incandescent lamp. c) Thermal image of the pentagram actuator illuminated by incandescent lamp, and force analysis. d) 3D motion trajectory diagram of photothermal Marangoni actuator. e,h,j,n) Video screenshots of motion of rectangular GOF/RGOF actuator in straight, clockwise, and counterclockwise rotation, driven by laser irradiation at different positions. g,l,m,p) Their corresponding 3D motion trajectory diagrams and f,i,k,o) their force analysis diagrams.


图7、 a) Magnetic property of Fe 3 O 4 nanoparticles. b) Magnetic performance of foam loaded with Fe 3 O 4 nanoparticles. c) Video screenshots of magnetic manipulation of GOF/RGOF actuator and d) corresponding 3D motion trajectory diagram.


3 小结


总之,我们展示了通过 DLW 和冷冻干燥制造磁场辅助驱动的双马兰戈尼效应致动器。首先,利用 DLW 在 GOF 上自由图案化 RGOF。这种图案化的 RGOF 具有出色的光热转换能力,在光照射下可产生不对称光热场,诱发光热马兰戈尼效应,从而驱动致动器。在激光还原之前和之后,GOF 的表面润湿性截然不同,因此可以控制 SDS 的定向释放,作为驱动致动器的 “燃料”,从而在液体表面形成溶质浓度梯度,诱发化学马兰戈尼效应。此外,为了更好地控制和提高致动器的性能,还在 GOF 中加入了 Fe3O4 磁性纳米粒子,以促进磁场辅助操纵双马兰戈尼效应致动器。尽管上述三种驱动机制中的每一种都能独立有效地推动致动器,但它们的成对组合能进一步提高致动器的运动性能。最终,致动器由所有三个场的耦合和叠加驱动,不仅能实现简单的线性或旋转运动,还能实现智能的加速和减速行为。基于多场耦合的驱动使马兰戈尼效应致动器/机器人的操纵更加灵活、高效和智能,使其具备了沿着复杂路径运动的能力。此外,两种马兰戈尼原理的协同效应有效地弥补了光热马兰戈尼效应启动慢和化学马兰戈尼效应驱动不可持续的难题。这一创新设计理念代表了致动器和机器人领域未来发展的重要方向,并为智能控制和生物医学工程领域的尖端应用提供了巨大潜力。


文献:

https://doi.org/10.1002/smtd.202401946


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