基于MXene/絲素蛋白納米復(fù)合材料的仿生促動器在實驗教學(xué)中的設(shè)計與探索

＊杜春保 朱亞楠 薛丹 程淵

（1.西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 陜西 710065 2.蘇州工業(yè)園區(qū)蒙納士科學(xué)技術(shù)研究院 江蘇 215000）

自然界中許多動植物擁有感應(yīng)外部環(huán)境中自然能量的變化并對此做出相應(yīng)的機械運動的能力，如向日葵追蹤太陽的運動，松果鱗片在干燥和潮濕的環(huán)境分別打開和閉合鱗片，果蠅感知并向光源方向飛行。大自然的這些行為激發(fā)了人類研制具有環(huán)境刺激響應(yīng)特性的促動器的興趣。促動器也叫執(zhí)行器、制動器、驅(qū)動器，可以在外部刺激下（電場、溫度、溶劑、濕度和光等）實現(xiàn)可控的機械響應(yīng)[1]，將輸入的能量轉(zhuǎn)換成二維或三維運動，在無接觸式智能設(shè)備中展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用價值[2-3]。針對學(xué)生層次和教學(xué)目的的差異性，本實驗在不使用任何有機化學(xué)試劑的條件下設(shè)計了“基于MXene/絲素蛋白納米復(fù)合材料的仿生促動器”實驗，編排了不同的模塊可以拓展為基礎(chǔ)綜合實驗、設(shè)計實驗與創(chuàng)新實驗。通過不同模塊實驗的結(jié)合使學(xué)生建立全局思維，并逐步培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，增強學(xué)生的創(chuàng)新意識與實踐能力。在《化學(xué)類專業(yè)本科教學(xué)質(zhì)量國家標準》[4]中，教育部高等學(xué)?；瘜W(xué)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會提出“應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和實踐能力，引入基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的新進展”等內(nèi)容。本實驗項目的設(shè)計是基于國家標準，并符合當(dāng)前國家“雙碳”和綠色化學(xué)理念，摒棄了當(dāng)前化學(xué)實驗教學(xué)弊病，與新時代化學(xué)教育的導(dǎo)向和方針相契合。

1.實驗部分

（1）實驗原理：本實驗首先通過蠶繭提取絲素蛋白，然后采用非共價自組裝方法，實現(xiàn)二維材料MXene Ti3C2Tx與絲素蛋白在水溶液中的結(jié)合，并通過簡易的真空抽濾，即可得到MXene/絲素蛋白納米復(fù)合薄膜。將MXene/絲素蛋白納米復(fù)合薄膜裁剪成一定形狀制成仿生促動器，通過近紅外光、濕度的控制探索仿生促動器對光和濕度的響應(yīng)性能。（2）試劑及材料：完整蠶繭，家庭自養(yǎng)獲得。碳酸鈉（Na2CO3）、氯化鈣（CaCl2）均為分析純，購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。MXene Ti3C2Tx購于蘇州北科納米科技有限公司。0.45μm水系過濾膜購于杉羽（天津）科技發(fā)展有限公司。（3）儀器和表征方法：透析袋（3500Da），上海阿拉丁生化科技股份有限公司。集熱式磁力攪拌器（DF-101S），上海儀昕科學(xué)儀器有限公司。超聲波清洗器（KH-250DB型），昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司。高速離心機（TG20G），河南北弘實業(yè)有限公司。真空冷凍干燥機（LC-10N-50A），上海力辰邦西儀器科技有限公司。808nm近紅外激光燈（LSR808H），寧波遠明激光技術(shù)有限公司。接觸角測量儀（JC2000 DS），上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司。無油隔膜真空泵（VP-10L），達爾拓。真空干燥箱（DZ-IBCIV），天津泰斯特。加濕器（HM-101），海納斯。（4）實驗步驟：①絲素蛋白的提取：將完整蠶繭剝開除去蠶蛹后，稱量10g切成小塊加入500mL的Na2CO3溶液（0.02mol/L）除去絲膠。脫膠的蠶繭用去離子水清洗2次后，然后置于60℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥2h。將干燥的絲纖維溶解在500mL的CaCl2（6mol/L），在60℃的恒溫水浴中加熱2h。待冷卻至室溫后，用去離子水在冰浴中透析4h后，以9500rpm離心20min除去雜質(zhì)，通過真空冷凍干燥機干燥24h即得絲素蛋白。注意，冷凍干燥過程不占用實驗總時長。②MXene/絲素蛋白納米復(fù)合薄膜和仿生促動器的制備：將MXene Ti3C2Tx水溶液（5mg/mL）在室溫下進行超聲30min，超聲功率為100W。取40mg絲素蛋白加入50mL的廣口燒杯中，將15mL的去離子水沿著玻璃杯緩慢滴在絲素蛋白表面，待溶解均勻后，緩慢搖晃，即得到絲素蛋白溶液。取超聲后的MXene溶液1mL，加入絲素蛋白溶液中，在室溫下進行攪拌30min。待自組裝完成后，采用溶劑過濾器對混合溶液進行抽濾，將得到的尚未干燥的薄膜在真空干燥箱中50℃干燥30min，即可得到MXene/絲素蛋白納米復(fù)合薄膜。將MXene/絲素蛋白納米復(fù)合薄膜裁剪成一定形狀（可根據(jù)個人愛好），即可得到仿生促動器。③近紅外光和濕度促動性能：采用808nm近紅外激光燈對仿生促動器的特定位置進行間歇式地照射，研究仿生促動器在近紅外光照射下的促動性能，功率控制為1W。采用小型加濕器制造濕度環(huán)境，研究仿生促動器在濕度環(huán)境下的促動性能，室內(nèi)相對濕度為44.8%，溫度26.8℃。

3.結(jié)果與討論

（1）潤濕性能。MXene/絲素蛋白納米復(fù)合薄膜在反復(fù)進行彎曲后仍然可以保持良好的完整性，而純MXene薄膜在反復(fù)彎曲后則容易斷裂。由于MXene/絲素蛋白納米復(fù)合薄膜為雙層結(jié)構(gòu)，其基底層為混合纖維素濾膜，活性層為MXene/絲素蛋白復(fù)合材料，這兩層的親水性具有較大的差異，從而與水分子之間的結(jié)合能力以及吸附容量存在差異。為了證實這一猜想，采用滴管將一滴水分別滴在MXene/絲素蛋白納米復(fù)合薄膜的基底層和活性層表面。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，水滴在基底層上可以迅速鋪展開，而在活性層表面則呈現(xiàn)半球形，這表明基底層具有超強的親水性，而MXene/絲素蛋白復(fù)合層的親水性則低于基底層，這是由于絲素蛋白在與MXene進行自組裝的同時也會改變絲素蛋白的二級結(jié)構(gòu)，從而暴露出部分疏水區(qū)域，而這種特性對于增強基底層與活性層之間的親疏水差異十分重要，也會決定MXene/絲素蛋白納米復(fù)合薄膜的刺激響應(yīng)性能。

（2）仿生促動器的近紅外光促動性能。MXene/絲素蛋白納米復(fù)合薄膜可以被裁剪為特定形狀制成仿生促動器。如圖1（a）所示，在808nm的近紅外光照射下，仿生促動器可以產(chǎn)生向右的彎曲運動。原理是在近紅外光照射下，仿生促動器的活性層會吸收近紅外光，將其轉(zhuǎn)化為熱[5]，而基底層的光熱轉(zhuǎn)化效率極低，導(dǎo)致仿生促動器的基底層和活性層之間的膨脹系數(shù)和應(yīng)變系數(shù)存在差異，從而使得仿生促動器產(chǎn)生彎曲運動。

圖1 仿生促動器在808 nm近紅外光照射下的促動性能（a）和促動機理（b）

從受力角度而言，如圖1（b）所示，仿生促動器的受光刺激部位位于左側(cè)肩部，左端整體受力平衡，不發(fā)生移動，而右端受力不均勻，合力向右，從而向右移動。當(dāng)移除光源后，仿生促動器受到的左端合力向右，從而左端向右移動，而右端合力向左，向左移動，但右端移動位移大于左端。受慣性作用，仿生促動器還會發(fā)生進一步的伸展，左端位移較小，右端位移較大，從而使得仿生促動器產(chǎn)生整體向右移動的現(xiàn)象。

（3）仿生促動器的濕度響應(yīng)性能。由于自然濕度環(huán)境差異較難控制，本實驗采用普通加濕器模擬自然濕度環(huán)境差異，探索仿生促動器的濕度響應(yīng)性能。如圖2（a）所示，仿生促動器在濕度較低的環(huán)境下處于彎曲狀態(tài)。當(dāng)打開加濕器時，環(huán)境的濕度較大，仿生促動器在18s內(nèi)呈現(xiàn)不同的伸展?fàn)顟B(tài)，并最終完全展開。如圖2（b）所示，當(dāng)關(guān)閉加濕器時，環(huán)境濕度急劇降低，仿生促動器在24s內(nèi)呈現(xiàn)不同的彎曲狀態(tài)，并最終恢復(fù)至與初始狀態(tài)接近的完全狀態(tài)。如同前面所得到的分析結(jié)果，仿生促動器的基底層與活性層對水具有明顯的潤濕差異，從而導(dǎo)致膨脹系數(shù)和應(yīng)變系數(shù)的差異，進而使得仿生促動器產(chǎn)生彎曲運動。

圖2 仿生促動器在高濕度（a）和低濕度（b）環(huán)境下的響應(yīng)性能

（4）實驗拓展。本實驗的原理是基于仿生促動器的雙層結(jié)構(gòu)對光或熱的不同刺激響應(yīng)所引起的膨脹系數(shù)和應(yīng)變系數(shù)的差異進而促使仿生促動器的彎曲運動。因此，根據(jù)這一原理，可以將本實驗的基底層更換為聚醚砜、醋酸纖維素或親水聚四氟乙烯，將光熱響應(yīng)物質(zhì)MXene更換為氧化石墨烯、黑磷納米片或MoS2納米片，進一步探索其在光、濕度環(huán)境下的促動可能性以及促動性能之間的差異。

4.結(jié)語

本實驗將仿生學(xué)引入課堂，合成了一系列仿生促動器，探索了其對光、濕度的響應(yīng)性能，將科技前沿引入了基礎(chǔ)教學(xué)之中，通過交叉學(xué)科的融合，激發(fā)學(xué)生對實際應(yīng)用的暢想，并引導(dǎo)學(xué)生探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。本實驗切合化學(xué)實驗教學(xué)實際，涉及物理化學(xué)和高分子化學(xué)與物理等多個化學(xué)二級學(xué)科，并打破傳統(tǒng)的學(xué)科壁壘，融入力學(xué)和仿生學(xué)特征，培養(yǎng)學(xué)生的多學(xué)科交叉融合理念和創(chuàng)新思維。本實驗具有較強的拓展性，可拓展為小型綜合實驗、綜合實驗、設(shè)計實驗和創(chuàng)新實驗（見表1），適應(yīng)不同層次化學(xué)實驗教學(xué)的要求[6]。

5.創(chuàng)新性

（1）本實驗涉及多個學(xué)科，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。（2）通過自然刺激響應(yīng)，引導(dǎo)學(xué)生體會仿生材料的結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系。（3）本實驗為模塊化實驗，適合不同層次化學(xué)實驗教學(xué)需要。

表2 仿生促動器的實驗設(shè)計類型