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东华大学熊佳庆/周欣然 ACS Nano：VOC感知型全纤维驱动器

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2025-02-28 11:57

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挥发性有机化合物（ VOC ）广泛存在于日常环境，在生产/生活中对人体健康和环境造成危害。传统 VOC 检测依赖于体积庞大或功能模块复杂的气体传感器，不仅需要人工操作，增加操作者的暴露风险，且难以兼顾便携性、快校准和动态检测需求。基于微型软体机器人的远程自主 VOC 感知与报警技术有望为 VOC 监测提供一种更便捷安全的方案。然而，实现软体机器人的运动（驱动）与 VOC 感知协同工作仍面临挑战。可视化 VOC 感知是一种直观高效的检测方式，电学感知则有望提供更精确的 VOC 信息。开发一种兼具颜色变化和电学功能的 VOC 响应变形材料，有助于实现 VOC 信息的“驱动变形-同步动态感知”，对环境感知型微型软体机器人的探索和发展有重要意义。

近日， 东华大学熊佳庆/周欣然团队 提出一种 VOC 响应变形纳米纤维膜，通过在压电聚合物中引入 VOC 变色填料 (SC-PAL/PVDF) ，实现了 VOC 致变色并增强材料驱动性能和压电效应，用于开发对 VOC 具有视觉 - 电学双模感知能力的全纤维双层结构驱动器（ SCP-BF ）。SCP-BF 表现出双向弯曲、显著稳定的颜色变化以及同步压电信号输出，对 VOC 类型和浓度具有识别潜力。该 VOC 致变色压电驱动器表现出大弯曲曲率（ 4.63 cm ^-1 ），超快响应速度（ 4.36 cm ^-1 s ^-1 ）， 200 次循环变色无衰弱、 1500 次循环驱动的高稳定性，并可自主产生压电信号以反映其变形或运动状态。作者证实了 VOC 可视化、 VOC 类型和方向检测、光 / 声报警系统以及一系列 VOC 响应智能开关、抓手和微型机器人，展示了 SCP-BF 在 VOC 动态检测与操控方面的可行性和应用潜力。

相关成果以“ All-Fiber Volatile Organics-Perceptive Actuators ” 为题发表在《 ACS Nano 》期刊上，论文第一作者为东华大学硕士生王爽，通讯作者为 熊佳庆 研究员和 周欣然 副研究员。该工作得到国家自然科学基金等项目资助。

图1. VOC 变色-压电全纤维驱动器的设计及性能

受王莲循环开放 / 闭合和同步变色行为的启发，作者设计了一种 VOC 致变形 - 变色 - 压电材料（ SC-PAL/PVDF ），并开发了具有视觉、电学双重感知能力的 VOC 响应的全纤维双层膜结构驱动器（ SCP-BF ）。分级纳米纤维网络结构允许 VOC 快速迁移 / 扩散和逸出，利用双层纤维膜（ PEO 和 SC-PAL/PVDF ）对同种 VOC 的差异化溶胀体积变化响应，可实现 VOC 触发的驱动变形。该驱动器综合性能优异，很好地兼顾了 VOC 变色、驱动形变、响应速率、电学输出、长效稳定性和 VOC 感知能力。由 SCP-BF 制成的仿生花能够在不同溶剂气氛中展现出差异化的开放 / 闭合与可逆变色行为（图 1 ，视频 1 ）。

视频1. SCP-BF 仿生花在 VOC 蒸气刺激下的开闭和变色行为

图2. SC-PAL 的合成与表征

本文所述 VOC 致变形 - 变色 - 压电纤维（ SC-PAL/PVDF ）基于一种 VOC 变色的凹凸棒土填料的合成。具体是先对酸处理后的凹凸棒土（ PAL ）进行烷基修饰，随后通过机械研磨将其作为质子供体与结晶紫内酯结合，促使结晶紫内酯开环并形成醌式大 π 键显色基团，制备出具有蓝色显色体系的 VOC 致变色凹凸棒土（ SC-PAL ）。得益于烷基修饰， SC-PAL 展现出超疏水特性，使其在水环境或高湿气下性能稳定，但在接触不同溶剂时可呈现出显著可逆的颜色变化（蓝色—黄色）。由于极性及质子化程度的差异，不同 VOC 可通过干扰 SC-PAL 中醌式大 π 键显色基团的电子结构与共轭体系，诱导差异化的结晶紫内酯显色效应，进而形成不同程度的变色效果（图 2 ）。

图3. SCP-BF 驱动器的 VOC 致变色性能和压电性能

作者将 SC-PAL 作为填料混入 PVDF 中进行静电纺丝，并通过连续纺丝构造第二层 PEO 纤维层，实现双层结构且尺寸可调的 SCP-BF 驱动器一体化成型。作者系统研究了 SCP-BF 驱动器的变色性能及压电效应，证实 SC-PAL 填料的引入通过其结构及界面协同不仅实现了机械强度提升与在不同溶剂蒸气作用下的区别性颜色变化，其界面还可诱导 PVDF 中结晶度的提高与压电相（ β 相）含量的提升，从而显著增强其压电性能（ d ₃₃ 从 20 pC N ^-1 增强至 30 pC N ^-1 ）（图 3 ）。

图4. 具有压电感知力的 SCP-BF 驱动器

SCP-BF 的驱动变形源于 SC-PAL/PVDF 层与 PEO 层在 VOC 刺激下产生不对称膨胀，且由于双层材料对不同溶剂分子的亲和力（溶胀性）的差异，器件可发生双向弯曲变形。作者证实 SCP-BF 驱动器在 -20 ℃ 至 40 ℃ 温度范围内均能稳定工作，并展现出优异变形性能，包括超快的响应速度（ 4.36 cm ^-1 s ^-1 ）和极大的弯曲曲率（ 4.63 cm ^-1 ）。尤其，器件在 1500 次驱动循环中表现出优异稳定性，证实其在实际应用中的可靠性和多场景适应可能性（图 4 ）。借助 SC-PAL/PVDF 的优异压电特性，该驱动器可通过压电器件构造实现电信号输出（电压 ~500 mV ）和 VOC 的电学感知。

图 5. SCP-BF 在 VOC 操纵、感知和微型机器人中的应用

基于 SCP-BF 驱动器的 VOC 致变色与压电协同特性，作者开发了多模态智能驱动器件，包括 VOC 方向指示器、夹爪、智能瓶盖和方向可控性驱动等功能。结合压电传感构造，设计了可实时监测运动状态的爬行机器人（视频 2 ），有望通过检测其变形曲率与 VOC 浓度间的定量关系实现环境 VOC 主动感知。利用驱动器的双向变形开关特性，进一步开发了 VOC 环境智能感知报警系统，有望为生产 / 生活环境中的 VOC 动态自主监测提供一种可能的新策略，提高环境检测安全性和智能性（图 5 ）。

视频 2 . 基于 SCP-BF 的 VOC 响应微型机器人

本文展示了一种 “VOC 致驱动 - 变色 - 压电效应”协同工作的全纤维驱动器开发策略，设计了一种基于烷基修饰凹凸棒土的 VOC 致变色材料（ SC-PAL ），并证实其对 PVDF 纳米纤维膜压电性能的提升，实现了驱动器对 VOC 的视觉-电学双模感知。在 VOC 作用下，驱动器可产生双向弯曲，并通过显著颜色变化及特征压电信号输出识别各类 VOC 信息（方位、种类、浓度）可被设计为智能响应驱动器或小型软体机器人。这一策略为安全监测、健康防护等领域提供了一种普适的交互式视觉 - 电子 VOC 检测方案，有望为智能设备 / 装备和软体机器人向高灵敏、自供能、多模态感知方向的发展提供启示。

文章信息：

S Wang, H Liu, Y Zhang, M Wu, Y Zhang, J Zhang, X Zhou*, J Xiong*, All-Fiber Volatile Organics-Perceptive Actuators, ACS Nano , 2025.

https://doi.org/10.1021/acsnano.4c16330

课题组主页：

https://www.x-mol.com/groups/xiong_jiaqing

东华大学熊佳庆/周欣然 ACS Nano：VOC感知型全纤维驱动器

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