基于 MXene 和聚吡咯改性静电纺丝 PA6 纳米纤维的湿度与电化学响应软驱动器

《Sensors and Actuators A: Physical》：Humidity and electrochemically responsive soft actuator based on electrospun PA6 nanofibers modified with MXene and polypyrrole

　　

• 成功制备了一种双响应PA6/MXene/PPy纳米纤维柔性驱动器。
• PA6/MXene驱动器展现出可逆的湿度诱导弯曲角度达246°。
• 杂化驱动器在沉积PPy后仍保持稳定的湿度响应性。
• 通过原位聚合的聚吡咯实现了电化学驱动。
• 该驱动器为多功能智能纺织驱动器提供了一种简单策略。

**引言**

智能柔性驱动器作为一种新兴的功能材料类别，正迅速发展，能够将外部刺激转化为可编程的机械运动[1]、[2]。得益于其固有的柔性、低密度、大变形能力以及与生物组织和柔性基底的机械兼容性，这些驱动器在软体机器人[3]、可穿戴电子[4]、微流控阀[5]、软体夹爪[6]和智能纺织[7]等领域引起了广泛关注。与传统刚性驱动器不同，柔性驱动器在保持机械完整性的同时可实现大变形和可逆变形，从而促进开发用于可穿戴技术和智能纺织应用的轻量级、柔性和自适应设备[8]、[9]。

柔性驱动器可由多种外部刺激触发，包括电场、温度、光、湿度、pH变化和化学物质。在这些刺激中，湿度作为一种丰富且可持续的环境刺激引起了越来越多的关注，因为它能够在不需要外部电源的情况下实现自主驱动[10]。湿度驱动驱动器具有多种优势，包括易于激发、环境友好、低功耗和结构简单。此外，通过控制环境湿度可以精确调节其变形行为，从而实现先进智能系统的可编程和自适应驱动[11]。湿度响应驱动器通过水分子的吸附和脱附发挥作用，这些水分子在活性材料中引起水介导的膨胀或收缩，随后将分子水平的相互作用转化为宏观机械变形。其低功耗、高环境敏感度和自主运行能力使其成为环境传感器、软体机器人组件、可穿戴设备和智能纺织等各种应用领域的有前途的候选者[12]、[13]、[14]、[15]。

近年来，二维（2D）纳米材料凭借其原子级厚度、大比表面积和独特的物理化学性质，已成为下一代智能驱动器的有前途的构建模块[12]、[16]。其中，MXenes作为快速增长的二维过渡金属碳化物和氮化物家族，在电化学系统、储能设备、传感器和智能驱动器领域引起了越来越多的关注[17]。MXenes通常通过MAX相的选择性蚀刻合成而成，产生具有丰富表面官能团（–OH、–O和–F）终止的超薄层状结构。这些亲水性表面终止基团，连同可调的层间距和高比表面积，促进了水分子的快速吸附和脱附以及层状结构中的高效水分传输[18]、[19]。因此，环境湿度的变化会引起可逆的层间膨胀和收缩，这可以有效地转化为宏观机械变形。此外，MXenes优异的导电性、机械柔性、溶液可加工性和强界面粘附力使其成为开发高性能柔性湿度响应驱动器的极具吸引力的候选材料[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。

尽管MXene基驱动器具有卓越的性能，但大多数报道的系统仍然局限于单一的驱动机制，从而限制了其在复杂且动态变化环境中的功能[26]、[27]。然而，许多新兴应用，特别是软体机器人、可穿戴电子和智能系统，需要多功能驱动器能够在响应多种外部刺激的同时保持快速、可逆和可控的变形。在单一材料平台中集成多种驱动机制不仅拓宽了工作范围，还增强了适应性、可控性和功能多样性[21]、[28]、[29]。

在这方面，在单一材料平台中整合湿度响应和电化学驱动已成为开发具有增强适应性和操作多功能性的双响应柔性驱动器的有效策略。在电化学驱动器中，驱动机制强烈依赖于电活性组分的性质。导电聚合物可以发生法拉第氧化还原反应，伴随着可逆的离子和溶剂传输以及体积变化，这些变化可以直接转化为机械变形。在杂化驱动器架构中，导电MXene还可以为电活性聚合物提供高效的电子传输通道，从而促进电化学驱动。然而，实现有效的电化学驱动需要能够在施加电位下发生可逆离子传输和体积变化的电活性材料[30]。在用于电化学驱动的电活性材料中，聚吡咯（PPy）因其可逆的氧化还原反应而备受关注，这些反应能够实现高效的离子传输和可控的体积变化，并可直接转化为机械变形[31]、[32]、[33]。在电化学氧化和还原过程中，离子和溶剂分子可逆地插入和提取到聚合物基质中以维持电荷中性，从而产生可逆的体积膨胀和收缩，可直接转化为机械变形。因此，PPy基驱动器展现出优异的驱动性能，包括大弯曲变形、良好的可逆性和相对较低的工作电压，使其成为柔性电化学驱动系统的有吸引力的候选者[34]。

电纺纳米纤维结构近年来因其高孔隙率、大比表面积、低密度和优异的机械柔性而作为柔性驱动器的通用平台引起了广泛关注[32]、[33]、[34]、[35]、[36]。这些特性对于电化学和湿度响应驱动尤为有利，因为快速的质量传输和高效的刺激传递是实现快速可逆变形的关键[37]。此外，电纺纳米纤维极高的表面积提供了丰富的锚定位点，用于均匀沉积MXene纳米片和导电聚合物等功能材料，从而促进强界面相互作用并提高驱动效率[28]。

与常规致密薄膜相比，电纺纳米纤维结构表现出与环境更加高效的相互作用，从而获得更快的响应动力学和增强的驱动性能。在可电纺聚合物中，聚酰胺6（PA6）因其出色的可纺性、高机械强度、柔性和形成超细多孔纤维的能力，非常适合制备纳米纤维驱动器基底。电纺PA6的超细纤维结构和大比表面积有利于MXene纳米片和导电聚合物等功能材料的均匀沉积，同时促进快速的质量传输、高效的离子扩散和快速的湿度吸附/脱附。这些结构特性对于提高湿度响应和电化学驱动器的响应速率和变形效率尤为有利。近期一项研究报告了一种PPy@MXene涂覆的电纺PA层，具有湿度响应变形能力，可用于自适应个人热管理，展示了MXene/PPy功能化聚酰胺结构在湿度响应驱动方面的潜力[38]。然而，在该系统中，PPy@MXene杂化涂层主要作为光热功能层使用，而湿度响应变形主要来源于PA基底的吸湿行为。相比之下，本工作采用序贯PA6/MXene/PPy架构，其中MXene提供湿度响应功能和导电通道，而原位聚合的PPy作为电活性组分实现可逆电化学驱动。因此，在电纺PA6纳米纤维支架中整合这两种不同的驱动机制以实现双湿度和电化学响应驱动仍然缺乏充分探索。

在本工作中，通过将MXene纳米片和聚吡咯（PPy）集成在柔性PA6纳米纤维支架中，开发了一种具有湿度响应和电化学驱动双重能力的双响应电纺纳米纤维驱动器。首先，在电纺PA6纳米纤维上涂覆MXene纳米片以构建湿度响应驱动器。随后，通过原位化学氧化聚合将PPy沉积在MXene涂覆的纳米纤维上，引入电化学驱动功能，同时保留湿度响应能力，从而产生双响应杂化驱动器。通过FESEM、EDX、电学测量、湿度诱导弯曲测试和电化学分析系统地表征了形貌、元素组成、导电性和驱动行为。这种杂化纳米纤维设计为在单一柔性架构中集成多种驱动机制提供了通用平台，为多功能柔性驱动器提供了有前途的策略。因此，所开发的驱动器可用于湿度响应软体机器人组件、自适应可穿戴系统、智能纺织结构以及其他需要可逆变形的应用领域。

**材料**

聚酰胺6（PA6）颗粒由Sigma-Aldrich公司提供，用作制备电纺纳米纤维基底的原料。甲酸（CH?O?，分析纯）购自Merck公司，用作PA6电纺的溶剂。MAX相前驱体（Ti?AlC?，≥99%）购自American Elements公司。氟化锂（LiF，≥98%，Sigma-Aldrich）和盐酸（HCl，37 wt%，Merck）用于合成Ti?C?T? MXene纳米片。吡咯单体

**形貌和结构表征**

Ti?AlC? MAX相和Ti?C?T? MXene的FESEM图像分别如图3a和3b所示。原始Ti?AlC? MAX相颗粒显示出致密的层状形貌，具有紧密堆叠的片层，这是Ti?AlC? MAX相的特征。这种致密结构与Ti?AlC?已知的层状晶体结构一致，其中Al原子层被夹在相邻的Ti?C?层片之间。经过LiF/HCl蚀刻过程后，呈现出显著的形貌

**结论**

在本研究中，通过将电纺PA6纳米纤维与Ti?C?T? MXene纳米片以及原位聚合的PPy层相结合，成功制备了一种双响应纳米纤维驱动器。FESEM、EDX和XRD分析证实了MXene和PPy在PA6纳米纤维基底上的成功沉积，同时保留了纤维结构。MXene涂覆纳米纤维展现出7246 ± 965 S m?1的高导电性，而PA6/MXene/PPy驱动器的导电性为

**作者贡献声明**

Zahra Mohammadi Ghahdarijani：撰写初稿、可视化、方法论、研究、形式分析、数据管理。Seyed Vahid Ebadi：撰写审阅与编辑、可视化、验证、监督、项目管理、概念化。

**生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的声明**

在准备本工作过程中，作者使用了ChatGPT来提高部分章节的可读性和语言表达。在使用该工具/服务后，作者对内容进行了审查和编辑，并对发表文章的内容承担全部责任。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

**致谢**

对于图形摘要图像、图1和图2，部分物体改编自Vecteezy网站（www.vecteezy.com）。

Zahra Mohammadi Ghahdarijani出生于伊朗，在纺织工程领域从同一机构获得了学士学位和硕士学位。她的研究兴趣包括智能纺织和电子纺织。

Zahra Mohammadi Ghahdarijani | Seyed Vahid Ebadi