海藻多糖用于過渡金屬硫?qū)倩衔飫冸x與智能驅(qū)動器件構(gòu)筑研究獲進展

圖:(A)海藻酸鈉(SA)剝離WS2示意圖;(B)SA/WS2雜化薄膜光熱驅(qū)動示意圖;(C)SA/WS2雜化薄膜構(gòu)筑光圖:(A)海藻酸鈉(SA)剝離WS2示意圖;(B)SA/WS2雜化薄膜光熱驅(qū)動示意圖;(C)SA/WS2雜化薄膜構(gòu)筑光驅(qū)動仿生抓手。驅(qū)動仿生抓手。

海洋覆蓋了近四分之三的地表面積,是巨大的資源寶庫,人類生產(chǎn)、生活中許多必需品都來源于海洋。比如,主要來源于褐藻的海洋多糖海藻酸鹽(鈉),具有易溶、增稠、易成膜、易凝膠化、生物相容、可降解等眾多優(yōu)良性能。海藻酸鹽產(chǎn)量巨大且成本低廉,在食品、服裝、保健、環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而,海藻酸鹽在納米技術(shù)和智能器件等方面的研究及應(yīng)用卻鮮有報道。

圖:(A)海藻酸鈉(SA)剝離WS2示意圖;(B)SA/WS2雜化薄膜光熱驅(qū)動示意圖;(C)SA/WS2雜化薄膜構(gòu)筑光圖:(A)海藻酸鈉(SA)剝離WS2示意圖;(B)SA/WS2雜化薄膜光熱驅(qū)動示意圖;(C)SA/WS2雜化薄膜構(gòu)筑光驅(qū)動仿生抓手。驅(qū)動仿生抓手。
圖:(A)海藻酸鈉(SA)剝離WS2示意圖;(B)SA/WS2雜化薄膜光熱驅(qū)動示意圖;(C)SA/WS2雜化薄膜構(gòu)筑光驅(qū)動仿生抓手。

近期,中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所研究員李朝旭率領(lǐng)的仿生智能材料團隊研究發(fā)現(xiàn),低成本、環(huán)境友好的海藻酸鈉(SA)能夠在水溶液中輔助超聲剝離過渡金屬硫?qū)倩衔铮═MDs,如MoS2、WS2、MoSe2、WSe2等)(圖1A),并展現(xiàn)出高度選擇性。在包含SA在內(nèi)的一系列多糖中(如酰胺化殼聚糖、羧甲基纖維素、結(jié)冷膠、卡拉膠等),SA具有最高的剝離效率;在包含WS2在內(nèi)的一系列TMDs中(如MoS2、WS2、MoSe2、WSe2等),SA對WS2的剝離效率最高,在短短幾個小時內(nèi)(~8 h)其剝離濃度就可達到1.39 mg ml?1,產(chǎn)率亦高達18.5%。相比于現(xiàn)有文獻報道,此方法具有顯著優(yōu)勢。

該團隊進一步探索發(fā)現(xiàn),這種特異選擇性可能源于SA特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu),SA結(jié)構(gòu)單元中的β-D-甘露糖醛酸與α-L-古洛糖醛酸含有大量羧基和羥基官能團,能夠與WS2通過氫鍵(-OH···SH-)和配位鍵(–C=O···W···O=C–)形成很強的相互作用。借助SA和WS2納米片之間的強相互作用,通過簡單的鋪膜工藝可以制備具有超強力學(xué)性能的SA/WS2納米片雜化薄膜,其拉伸強度高達422.5 MPa、韌性可達25.76 MJ m?3,足以和天然珍珠層、牙齒及骨骼的力學(xué)性能相媲美。進一步結(jié)合WS2納米片的高效光熱轉(zhuǎn)化性能和SA親水及鍵合多價金屬離子的能力,該團隊成功開發(fā)出一系列光驅(qū)動仿生智能器件,如光驅(qū)馬達、爬動柔性機器人、仿生抓手等(圖B、C)。

這些發(fā)現(xiàn)有助于進一步拓展SA在生物技術(shù)、材料科學(xué)、納米技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用;將傳統(tǒng)天然海洋多糖與新型二維材料有機結(jié)合同樣有助于柔性機器人、智能材料與器件等技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。以上研究成果發(fā)表于最新一期的《先進材料》(Advanced Materials,DOI: 10.1002/adma.201604691)上。

該研究獲得了國家自然科學(xué)基金(No. 21474125、51608509)、中組部“青年千人計劃”、博士后科學(xué)基金(2016M590670)、山東省“泰山青年學(xué)者計劃”和山東省杰出青年基金(JQ201609)等項目的支持。

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