南开大学张振杰课题组 Angew：仿生策略构建自振荡湿度驱动器
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湿度智能驱动器（致动器）是一种在水蒸气刺激下可以可逆地改变其形状/体积，将水汽能转化为机械能的智能材料。传统的湿度响应材料主要由天然纤维素、水凝胶和线性高分子等组成。这些体系通常具有较大的柔性和响应幅度（如弯曲曲率），但由于缺乏结构刚度，其驱动力往往不足。
图1 湿度响应 COF 驱动器的仿生构建策略示意
受生物结构（如动物手臂具有刚柔并济结构）的启发 （图 1 ） ， 南开大学化学学院张振杰课题组 引入刚性框架材料 （如共价有机框架， COFs ） 来模拟内骨骼以增强材料的刚性和自支撑能力，同时引入柔性聚合物链 （如聚乙二醇， PEG ） 来模拟肌肉组织以增强材料柔性并带来驱动功能 ，制备了一系列 “刚柔 并济 ”的湿度响应薄膜驱动器（ PEG-COF-x ）（图 2 ）。
图2 PEG-COF-x 驱动器的制备与表征
图3 PEG-COF-x 驱动器驱动机理的研究
COF 材料明晰有序的结构便于研究驱动器的湿度驱动机制。 通过粉末衍射、红外光谱等表征发现 PEG 基团吸水溶胀使 COF 层间膨胀，脱水后使 COF 层收缩（图 3e ），从而引起材料的智能驱动响应。 SEM 电镜数据证明 PEG-COF-x 膜 具有一侧致密，另一侧松散 的不对膜结构（图 3f ），使得其 可在均匀水汽环境 中产生弯曲运动（图 3a , 3b ）。 此外，得益于 COFs 对水汽的快速吸附和脱附行为（图 3 c, 3d ），使得其在微小湿度变化下产生运动。因此， PEG-COF -x 膜可以在水面上方进行自振荡。 当 PEG-COF-x 膜垂直放置在水面上方时 会受湿度刺激开始弯曲远离水面，位置的变化伴随着膜周围环境湿度的降低 ，到达临界位置时 COF 膜开始 脱附水分子并恢复至原始竖直形状，这一过程可以循环往复实现连续自发运动（图 4 ） 。 为了将自驱动产生的机械功进一步转化成电能，作者将 PEG-COF-x 湿度驱动器 与压电聚偏氟乙烯（ PVDF ）复合 ，实现了机械能到电能的高效转化。在水面上方，该器件能够稳定的连续输出电能超过两天（图 5 ） 。
图4 PEG-COF-4 驱动器的应用及自驱动性能研究
图5 湿度驱动发电机的组装与性能
综上所述，作者将刚性 COF 材料与柔性 PEG 结合 ，成功地制备了一类刚柔 并济的 COF 膜驱动器。该策略显著改善了复合膜的力学性能和湿度响应性能。湿度驱动器进一步与压电材料耦合，可实现稳定连续的电能输出。这项研究为可持续自发能量转换设备的开发开辟了一条新道路。
该工作以 “ Engineering Covalent Organic Frameworks with Polyethylene Glycol as Self-Sustained Humidity-Responsive Actuators” 为题发表在《 Angewandte Chemie International Edition 》上（ DOI: 10.1002/anie.202216318 ）。 南开大学化学学院研究生 毛天晖 、 刘沼沂 为共同第一作者， 张振杰 研究员为通讯作者。该研究得到了程鹏教授、国家自然科学基金面上项目和 1 11 计划的支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202216318
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