Janus薄膜由于具有不對(duì)稱的結構和獨特的物理或化學(xué)性質，在傳感、驅動、能(néng)源管理和先進(jìn)分離等方面(miàn)表現出了巨大的應用潛力。其中，仿生柔性皮膚由于兼具靈敏感知、驅動和功能(néng)集成(chéng)等特點，已經(jīng)引起(qǐ)了人們廣泛的研究興趣。爲實現這(zhè)些特定的功能(néng)，需要選擇合适的活性功能(néng)材料并以可控的方式形成(chéng)不對(duì)稱的結構。碳納米材料由于具有優異的導電和導熱性能(néng)、本征機械柔韌性、高化學(xué)和熱穩定性、易于加工等優點，是一種(zhǒng)極具應用前景的活性材料。碳納米材料和功能(néng)聚合物以可控方式進(jìn)行不對(duì)稱結合可以促進(jìn)高性能(néng)傳感、驅動和集成(chéng)器件的設計，從而推動智能(néng)軟體機器人的發(fā)展。因此，迫切需要對(duì)碳基Janus薄膜的設計原則進(jìn)行全面(miàn)總結，并深入讨論表面(miàn)/界面(miàn)結構和性能(néng)之間的關系，以指導其在柔性智能(néng)設備中的應用。
中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所智能(néng)高分子材料團隊陳濤研究員、肖鵬副研究員基于在碳基/高分子Janus薄膜的構築及其柔性傳感和驅動方面(miàn)的長(cháng)期研究基礎，受邀在Accounts of Materials Research上發(fā)表題爲“Carbon-based Janus Films Toward Flexible Sensors, Soft Actuators and Their Beyond”的綜述文章（Acc. Mater. Res. 2023, DOI: https://doi.org/10.1021/accountsmr.2c00213）, 系統總結了碳基Janus薄膜的制備策略、結構與性能(néng)關系以及傳感和驅動及其一體化集成(chéng)器件應用方面(miàn)的研究進(jìn)展，并對(duì)該領域的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。
在該綜述中，作者首先讨論了幾種(zhǒng)常見的碳納米材料（例如，碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯和還(hái)原氧化石墨烯、石墨和炭黑等）的基本性質和優缺點，以此來引導人們根據所需的性能(néng)和應用場景選擇合适的材料。随後(hòu)介紹了碳基Janus薄膜通用的制備策略，并根據制備過(guò)程中基底不同，將(jiāng)其分爲固體支撐的物理和化學(xué)策略以及液體支撐的界面(miàn)策略。其中，重點讨論了不同的設計原則和表面(miàn)或界面(miàn)結構以及性能(néng)之間的關系，以此來指導設計高性能(néng)器件。具有不對(duì)稱功能(néng)耦合的碳基Janus薄膜進(jìn)一步通過(guò)構建特殊表面(miàn)微結構來實現高性能(néng)電子皮膚的開(kāi)發(fā)，同時還(hái)能(néng)以支撐和自支撐構型用于非接觸式感知。此外，由于碳納米材料優異的光熱轉化以及濕度響應性能(néng)和聚合物層的功能(néng)可設計性，碳基Janus薄膜在高性能(néng)光熱驅動、濕度驅動以及多刺激響應驅動器中取得了巨大進(jìn)展。基于碳材料優異的導電和傳感性能(néng)，碳基Janus薄膜還(hái)可以設計成(chéng)自感知軟體驅動器，極大推動了智能(néng)軟體機器人的發(fā)展。
盡管碳基Janus薄膜在傳感、驅動和一體化柔性器件的開(kāi)發(fā)中得到了長(cháng)足的發(fā)展，但仍然存在一些問題和挑戰亟需解決。首先，碳納米材料應用到植入式傳感或驅動器件中時，需要考慮和生物相容性材料進(jìn)行複合或者對(duì)器件進(jìn)行封裝來降低毒性風險。其次，爲實現穩定的驅動和精确的傳感信号反饋，需要進(jìn)一步提高兩(liǎng)相界面(miàn)的結合強度。同時，賦予碳基Janus薄膜多功能(néng)性，例如自愈合、抗腐蝕、耐高溫、抗凍等，以增強其在複雜、惡劣環境中的适應性。不僅如此，還(hái)需探索高效易得的方法以實現碳基Janus薄膜可控圖案化，來構建高精度、定位傳感器和可編程的多階段驅動器。最後(hòu)，爲實現碳基Janus薄膜的大規模生産以及推動其在智能(néng)軟體機器人中的發(fā)展，結合可擴展的界面(miàn)制備策略和先進(jìn)的打印以及卷對(duì)卷加工等技術似乎是一種(zhǒng)不錯的選擇。
該論文得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（52073295）、國(guó)家重點研發(fā)計劃項目（2022YFC2805204、2022YFC2805202）、國(guó)家自然科學(xué)基金委中德交流項目（M-0424）、浙江（之江）實驗室開(kāi)放研究項目（No.2022MG0AB01）、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點研發(fā)項目（QYZDB-SSW-SLH036）、王寬誠教育基金（GJTD-2019-13）等項目的支持。
基于先進(jìn)制造技術構建碳基Janus薄膜用于傳感、驅動及其一體化智能(néng)柔性器件
（中科院海洋新材料與應用技術重點實驗室 周偉）
