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近年來(lái)，由于刺激響應(yīng)致動(dòng)器可以從環(huán)境中獲取各種能量比如光、濕度、磁場(chǎng)能、電能、熱能、和化學(xué)能等能量并將它們轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，而無(wú)需復(fù)雜的外接能量供應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。在不同的能源中，光源具備多樣性、環(huán)境友好性、無(wú)物理接觸并且對(duì)于不同介質(zhì)具有一定的滲透性，而表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。
因此在機(jī)器人的遠(yuǎn)程操控，微機(jī)電系統(tǒng)和片上實(shí)驗(yàn)室等領(lǐng)域能夠通過(guò)非接觸方式直接將光能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的方法，吸引來(lái)了巨大的研究興趣。實(shí)際上，光能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換可以通過(guò)光化學(xué)和光物理過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。前者實(shí)現(xiàn)方式包括光化學(xué)反應(yīng)誘導(dǎo)的異致異構(gòu)化、光二聚化和光催化等等，而后者主要通過(guò)光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)形變或運(yùn)動(dòng)，相關(guān)的光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)有膨脹、Marangoni效應(yīng)、光熱相變和形狀記憶效應(yīng)等等。隨著光響應(yīng)材料和光-功轉(zhuǎn)換相關(guān)納米技術(shù)的進(jìn)步，在基礎(chǔ)科學(xué)和實(shí)際應(yīng)用方面的光刺激響應(yīng)致動(dòng)器和機(jī)器人都取得了快速進(jìn)步。
Marangoni效應(yīng)由于其可適用的光熱材料的多樣性和可多種光源操控，以及高的能量轉(zhuǎn)換效率等等優(yōu)點(diǎn)，使其在光驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域成為一個(gè)有前景的驅(qū)動(dòng)方案。光熱Marangoni效應(yīng)的本質(zhì)在于光照射下致動(dòng)器周圍的液體被不均勻加熱，這可以在器件周圍對(duì)應(yīng)的位置引起溫度梯度場(chǎng)。一般來(lái)說(shuō)，某種液體的表面張力隨著局部溫度的升高而降低。而特定光熱轉(zhuǎn)換誘導(dǎo)的溫度提升可以產(chǎn)生溫度梯度場(chǎng)從而產(chǎn)生表面張力梯度，驅(qū)動(dòng)物體向低表面張力方向移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。在我們之前的工作中已經(jīng)報(bào)道過(guò)通過(guò)激光直寫PDMS表面制備了具有不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的光熱Marangoni致動(dòng)器。激光直寫不僅賦予了PDMS表面良好的光熱性質(zhì)，而且使器件擁有了超疏水表面，有效的減少了液體的阻力。在多種光源的照射下，均可實(shí)現(xiàn)定向旋轉(zhuǎn)和線性運(yùn)動(dòng) （Adv. Funct. Mater. 2017, 1702946）。
然而，石墨烯或其衍生物作為非常優(yōu)異的新興光熱材料還尚未被用于光熱Marangoni致動(dòng)器中，這是由于很難將石墨烯材料與具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的致動(dòng)裝置集成在一起。雖然有許多開創(chuàng)性的工作已經(jīng)證明了激光加工技術(shù)在開發(fā)獨(dú)立和復(fù)雜的石墨烯基器件方面有非常重要的作用，比如激光加工技術(shù)能夠靈活實(shí)現(xiàn)石墨烯的圖案化、改性和使它結(jié)構(gòu)分層，從而便于器件制造。然而，為了產(chǎn)生用于Marangoni效應(yīng)的不對(duì)稱溫度梯度，光熱材料需要被圖案化并集成到器件的設(shè)計(jì)位置，而目前達(dá)到這一目的是具有挑戰(zhàn)性的。針對(duì)這一難題，清華大學(xué)孫洪波教授和吉林大學(xué)張永來(lái)教授團(tuán)隊(duì)合作報(bào)道了利用激光誘導(dǎo)石墨烯膠帶（LIG）作為可粘貼的光熱標(biāo)簽來(lái)制備基于Marangoni效應(yīng)的光驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器。LIG可以通過(guò)激光直寫技術(shù)(DLW)自由地在聚酰亞胺（PI）膠帶上形成圖案，并且具有LIG圖案的PI膠帶可以粘貼在任何物體上來(lái)形成集成化致動(dòng)器。如圖1所示，在商用的聚酰亞胺薄膜上利用激光誘導(dǎo)的方式，可以精確的誘導(dǎo)出光熱性能優(yōu)異的圖案化石墨烯。LIG和原始的PI膠帶在光吸收方面表現(xiàn)出了巨大的差異，在光波長(zhǎng)為500-2000nm范圍內(nèi)，PI膠帶的光吸收率為大約4%，在被激光誘導(dǎo)為L(zhǎng)IG后被顯著的提升至90%左右。如此巨大的光吸收差別也體現(xiàn)在了兩者明顯的光熱效果上，在同樣的光源條件照射下，LIG的升溫效果是PI效果的1.68倍。光熱轉(zhuǎn)換效果的巨大差異為后續(xù)的Marangoni效應(yīng)的誘發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
圖1.a)用于開發(fā)粘貼式光熱Marangoni致動(dòng)器的LIG膠帶的制造工藝示意圖。b)激光圖案化LIG蝴蝶的CLSM圖像。c)在聚酰亞胺帶上激光處理后形成LIG的示意圖。d)PI膠帶激光誘導(dǎo)前后的掃描電鏡和CLSM圖像。e)LIG的高分辨率掃描電鏡圖像。f)PI膠帶上誘導(dǎo)出的LIG的截面SEM圖。
集成了LIG膠帶的致動(dòng)器可以在光的照射下產(chǎn)生不對(duì)稱的光熱場(chǎng)，從而形成局部的表面張力梯度誘發(fā)Marangoni效應(yīng)。作為概念驗(yàn)證演示，如圖2a-b所示，在白熾燈照射下,一個(gè)通過(guò)上述方法誘導(dǎo)出LIG圖案化的五角星形薄膜形成了熱梯度場(chǎng)，從而通過(guò)Marangoni效應(yīng)進(jìn)行了自驅(qū)動(dòng)。而一個(gè)在葉柄處集成了LIG致動(dòng)器的葉子在激光的照射下（圖2c-d），實(shí)現(xiàn)了定向的旋轉(zhuǎn)和線性運(yùn)動(dòng)。以此驗(yàn)證了LIG致動(dòng)器可以集成于其他物體形成集成化的光熱Marangoni致動(dòng)器。
圖2.a)LIG圖案化五角星形致動(dòng)器的照片。b)白熾燈照射下五角星形致動(dòng)器的熱像圖。c)集成有LIG標(biāo)簽的葉片致動(dòng)器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。d)從相對(duì)應(yīng)的視頻中提取的葉子致動(dòng)器旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖。
此外，憑借PI膠帶具有很好的柔性，結(jié)合折紙思維，LIG膠帶可以被折疊成3D光熱Marangoni致動(dòng)器。如圖3所示，一系列根據(jù)在腳部所集成的LIG位置的仿生3D折紙青蛙在太陽(yáng)光的照射下分別產(chǎn)生了直行，向左旋轉(zhuǎn)和向右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
圖3.a)3D仿生青蛙的折紙模板、集成兩條LIG腿的致動(dòng)器的光學(xué)照片和熱成像圖像。b)在聚焦陽(yáng)光照射下的青蛙致動(dòng)器的直線性運(yùn)動(dòng)的視頻截圖。c)從相對(duì)應(yīng)的視頻中提取的運(yùn)動(dòng)軌跡圖。
（3D折紙仿生青蛙致動(dòng)器向左旋轉(zhuǎn)的GIF）
值得一提的是基于LIG膠帶的光熱Marangoni致動(dòng)器具有非常優(yōu)異的生物相容性，這一點(diǎn)已被人類乳腺癌細(xì)胞MDA-MB-231的培養(yǎng)增殖實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。如圖4a-g所示該類型細(xì)胞可以在LIG集成化的Marangoni致動(dòng)器表面成功存活并且進(jìn)行了繁殖。LIG集成化的PDMS十字形和矩形致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)證實(shí)了細(xì)胞的存在不會(huì)妨礙對(duì)在培養(yǎng)基中的致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)操控，在陽(yáng)光和白熾燈的照射下均可實(shí)現(xiàn)光能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換（圖4h-m）。作為粘貼式光熱標(biāo)簽，LIG膠帶可集成化的功能為基于Marangoni效應(yīng)開發(fā)致動(dòng)器和機(jī)器人開辟了一條新的途徑，這一研究策略在微流體和生物醫(yī)學(xué)工程中顯示出了的巨大應(yīng)用潛力。
圖4.分別在LIG致動(dòng)器上培養(yǎng)a)24小時(shí)和b)48小時(shí)的MDA-MB-231細(xì)胞的熒光顯微鏡圖像。c)LIG和PI膠帶連接處細(xì)胞數(shù)量的熒光顯微鏡圖像。d-e)白熾燈照射前后細(xì)胞形態(tài)的熒光顯微鏡圖像。f)連續(xù)光照下細(xì)胞形態(tài)的熒光顯微鏡圖像。g)附著在LIG表面的單個(gè)細(xì)胞的掃描電鏡圖像。h)十字形集成致動(dòng)器和I)矩形集成致動(dòng)器的光學(xué)照片。j)十字形集成致動(dòng)器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的視頻截圖。l)從相應(yīng)的視頻中提取的對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)軌跡圖。k)矩形集成致動(dòng)器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)視頻截圖。m)從相應(yīng)視頻中提取的對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)軌跡圖。
（十字形集成致動(dòng)器在白熾燈照射下在培養(yǎng)基中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的GIF）
以上相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Functional Materials上(Adv. Funct. Mater. 2020, 2006179 )。論文的第一作者為吉林大學(xué)博士研究生王偉，通訊作者為清華大學(xué)孫洪波教授和吉林大學(xué)張永來(lái)教授。
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