石墨烯納米復合材料光驅動技術的研究進展

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(西安交通大學 機械工程學院，西安 710049)

一直以來，利用外部激勵改變自身物理性質的材料制作驅動器[1]，受到研究人員的持續關注。根據供能方式不同，驅動材料被劃分在電[2]、熱[3-4]、氣[5]和光[6]等驅動機理中，并廣泛應用在微型機器人、人工肌肉、智能開關、微機械和微流體設備等領域[7]。其中，電驅動材料，如介電彈性體和導電聚合物，被廣泛應用在一系列前沿科技中[8]，然而它存在驅動電壓高、裝置中有電線等缺陷。相比其他激勵驅動技術，光驅動可將光照轉換為機械變形，具有無線驅動、遠程控制、低噪聲等諸多優點[9-13]。特別是，因質量輕、加工性能好、低成本、具有類似人工肌肉的高效性，以聚合物為基礎的光驅動材料目前受到了研究人員的廣泛重視，并取得一定的研究進展。而且，光驅動的聚合物驅動器在醫療設備、防爆驅動、光學、微納機械等領域展現出良好的應用前景[7]。

目前，光驅動聚合物驅動器中的聚合物材料分為兩種：純聚合物[14-15]和聚合物復合材料[7,16]。兩種聚合物材料均需有光敏基團或填料充當“分子開關”或“能量傳遞”單元。純聚合物光驅動器雖然有較高的能量密度，但力學性能和響應時間不佳[14]；聚合物復合材料光驅動器則因納米填料與聚合物之間的相互協同作用，具有更加優越的力學性能和更為突出的熱穩定性。目前光驅動的研究主要集中在近紅外(Near-Infrared，NIR)光波段，但很多聚合物本身是近紅外透明的，并沒有近紅外驅動性[17]。近年來，研究人員借助碳納米管(Carbon Nanotubes，CNTs)出色的電、熱、力學和光學性能，研發了基于CNTs聚合物復合材料的光驅動技術。雖展現出遠程、快速和高能量的近紅外驅動性及較高的力學性能[18]，但由于CNTs的自身結構、催化劑和無定形碳導致的固有不純性、不易分散性和高生產成本，使其難以得到進一步的實際應用。

石墨烯因獨特的二維單層碳原子結構，具有超越單壁碳納米管[19]和多壁碳納米管[20]的固有特性，成為材料領域中的新興材料。將石墨烯材料自身特性與聚合物的性質相結合，彼此協同作用[21]，研制具有優秀性能的基于石墨烯復合材料的紅外光驅動器，逐漸成為研究的熱點并取得了良好的進展[22]。本文對石墨烯材料在光驅動應用中的相關性質進行了介紹，主要評述了基于石墨烯納米復合材料的紅外光驅動技術的最新進展，展望了石墨烯納米復合材料光驅動技術今后的研究熱點及應用前景。

1 石墨烯材料的性能與制備

石墨烯是以sp2雜化連接的蜂巢狀單層碳原子結構，如圖1(a)所示[23]。它被認為是富勒烯、碳納米管、石墨的基本結構單元[24]，單層石墨烯的厚度僅為0.4～1nm。2004年，英國曼徹斯特大學的Geim和Novoselov第一次使用膠帶剝離得到穩定存在的石墨烯[25]。這種簡單的機械剝離法可以獲得質量較高的石墨烯，卻不便于石墨烯的規模化制備。為獲得高質量、可產業化的石墨烯，最常用的制備方法是外延生長法[26]、氧化還原法[27]和化學氣相沉積法(CVD)[28-29]。

石墨烯因獨特的二維結構，具有優異的物理、化學性質[30-32]，使它非常適合用來制備紅外光驅動器中的聚合物復合材料。石墨烯只有一個原子的厚度，但它具有很高的機械強度。原始狀態下，楊氏模量E=1.0TPa，機械強度為 130GPa[33]。這種優異的性能使石墨烯能夠加強柔性材料的力學性能，成為聚合物納米復合材料的優秀填料。與同為聚合物填料的CNTs相比，石墨烯的高比表面積促進了其片層與聚合物間的協同作用，可極大地提高聚合物的熱力學性能。準確地說，因單層石墨烯的每個原子都暴露在環境中，石墨烯的比表面積高達2630m2·g-1[33-36]。這為石墨烯材料的化學功能化以及與納米材料的復合提供了很好的基礎[23]。石墨烯具有顯著高于CNTs和金剛石等其他碳材料的熱傳導率，約為3000～5000W·m-1·K-1[37-38]。特別是，石墨烯的熱膨脹系數為負值，即加熱時石墨烯發生收縮變形[39-40]。

由于電子耦合或片層邊緣氧分子引起的不對稱拉伸，石墨烯材料有一定的紅外光吸收帶，這為基于石墨烯復合材料的光驅動技術發展提供了可能[41-42]。目前，基于石墨烯復合材料的紅外光驅動器中，石墨烯材料作填料的主要形式除石墨烯外，還有氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)和還原氧化石墨烯(reduced Graphene Oxide，rGO)，如圖1(b)，(c)所示[23]。

圖1 基本結構圖[23] (a)石墨烯；(b)氧化石墨烯；(c)還原氧化石墨烯Fig.1 Basal structure diagram[23] (a)graphene；(b)GO；(c)rGO

因成本較低，石墨烯復合材料中使用最多的石墨烯材料是GO。GO 是石墨烯的氧化形式，層間有大量的含氧官能團(羧基，羥基，環氧基等)，如圖1(b)所示。GO是氧化還原法中由石墨制備石墨烯納米材料的中間產物，通過石墨的氧化反應和超聲破碎法[43]連續剝離得到。不同于原始的石墨烯，GO的物理、化學性質已經發生了改變，如表1所示[26-28,44]。其中，較高的碳結構缺陷密度降低了石墨烯的力學性能和熱傳導性能。而含氧官能團的存在則使GO在水相條件中保持穩定，成為親水材料。由于高比表面積和較多的官能團，親水性促進了GO片層的化學功能化[45]。因此，GO成為制備具有光機械效應復合材料的重要一員[46-49]。

rGO通常由GO通過化學還原劑、熱處理、光還原、微波還原等方法得到,這也是通過氧化還原法最終得到轉化石墨烯的過程[50]。相比其他制備石墨烯的方法，氧化還原法成本低、效率高，是大量獲取石墨烯的最佳途徑之一。盡管rGO中已經移除了GO中的大部分官能團，C∶O比也增加到246∶1(見表1)，但rGO仍未實現完全還原[51]。GO的還原過程中，存在晶格缺陷并殘留含氧官能團，因此rGO只保留了部分原始石墨烯的力學性能和熱傳導性[37]。另外，有研究人員通過控制還原過程得到具有特定殘留含氧官能團的rGO，來制備石墨烯復合材料[52-54]。

表1 近紅外光驅動應用中石墨烯納米材料的主要性能[26-28,44]Table 1 Main properties of graphene-based nanomaterials relevant for NIR-driven applications[26-28,44]

石墨烯、GO和rGO等石墨烯材料與聚合物復合后，材料納米結構發生變化，復合材料的熱傳導性能改善極為顯著，如表2所示。制備后的石墨烯復合材料的力學性能和光力學性能也有了顯著提高[59-60]，這為光驅動技術中光機械轉換效率的提高等提供了研究空間。

表2 石墨烯復合材料的熱傳導性能Table 2 Thermal conductivity in graphene-based composites

2 基于石墨烯材料的近紅外光驅動器

目前，與石墨烯材料復合并可以將其光機械效應[61-63]用于光驅動的材料大致可分為石墨烯基大分子復合材料和石墨烯磺化物復合材料。

2.1 基于石墨烯基大分子復合材料的近紅外光驅動器

自2006年Ruoff等[52]成功制備了聚苯乙烯-石墨烯復合材料后，對于基于石墨烯基大分子復合材料的研究越來越多，尤其是它在光驅動技術中的應用。基于石墨烯基大分子復合材料的紅外光驅動器主要是依靠石墨烯填料的光熱效應帶來的復合材料的機械變形實現驅動[22,53,55]。根據驅動材料結構的不同，可分為單層薄膜驅動和雙層薄膜驅動。

2.1.1 單層薄膜驅動

紅外光驅動器的單層薄膜驅動主要是利用石墨烯基大分子復合材料的力學性能等多方面性質的提高，產生較大的光機械效應來完成。其中，復合材料性能的提高，主要依賴填料石墨烯材料優異的熱傳導性[56]和聚合物自身特性之間的相互協同作用。

2011年，美國威斯康辛大學的Lo等[53]采用一種新型光敏聚合物聚N-異丙基丙烯酰胺(Poly (N-isopropylacrylamide)，PNIPAM)來替代甲基丙烯酸縮水甘油基酯功能化石墨烯氧化物(Glycidyl Methacrylate Functionalized Graphene Oxide，GO-GMA)中的金屬納米顆粒填料，制備了GO-GMA水凝膠復合材料。實驗表明，該GO-GMA復合材料的保水性比金屬做填料時提高近3倍，并具有很高的光熱轉換效率。利用該復合材料制備的微流道在近紅外照射下有明顯體積變化，如圖2所示。不過，其具體光驅動機制還有待研究。

Loomis等[57]制備出一種具有紅外光機械效應的石墨烯納米片/聚二甲基硅氧烷(Graphene Nanoplatelet/ Polydimethylsiloxane，GNP/PDMS)復合材料，并對該GNP/PDMS復合材料的彈性響應進行了研究。通過對不同GNP質量分數的復合材料進行預拉伸后，發現其紅外光響應速率主要依賴于預拉伸力的大小。隨后，該團隊[58]將單層石墨烯(Single Layer Graphene，SLG)分散到PDMS中制備復合材料，并與GNP/PDMS復合材料進行對比研究。其中，復合材料的測力裝置便是一個光驅動裝置，如圖3所示。實驗結果表明，SLG/PDMS和GNP/PDMS復合材料中，光機械轉換效率與石墨烯質量分數均為正線性相關。

圖2 利用GO-GMA制備的紅外光驅動微流道[53] (a)紅外照射前；(b)紅外照射后Fig.2 Microvalve made of GO-GMA IR-responsive hydrogel[53] (a)before IR；(b)after IR

而在相同的石墨烯質量分數和近紅外強度下，石墨烯層數每增加一層，其應力響應便減少20%，光機械轉換效率減小30%。可見，光驅動復合材料中分散的石墨烯層數是一個重要影響因素。但相比，GNP/PDMS復合材料與微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)光刻過程有更好的相容性，加工成本也更低[9]。2013年，Loomis團隊[9]通過對GNP/PDMS的預拉伸，探索了該復合材料的光機械效應。研究表明，在低預拉伸(3%～9%)或高預拉伸(15%～40%)下，GNP/PDMS復合材料在紅外光驅動下分別可逆地膨脹或可逆地收縮。該復合材料光機械效應引起的應力比原始PDMS聚合物提高了4個數量級。利用該復合材料研制的近紅外光驅動的單軸定位器，如圖4所示。其單軸定位精度較高，可達100μm，然而最大的光機械轉換效率僅為0.03%。

2011年，斯坦福大學的Robinson等[64]第一次以rGO的形式與非共價的聚乙二醇(Polyethylene Glycol，PEG)鍵合形成nano-rGO。相比CNTs，該復合材料具有更高效率的近紅外光的光熱吸收性。2013年，美國加利福尼亞大學的Wang等[22]對rGO納米片和彈性蛋白式多肽(Elastin Peptides，ELPs)進行組合，制備了具有近紅外光機械效應的ELPs-rGO復合材料，并設計了可實現近紅外光驅動彎曲和爬行的仿生手和仿生蟲，如圖5所示。研究表明，因采用氣相擴散法制備引入了孔隙度，復合材料在近紅外光移除后的10s內便可恢復原有形狀的74%～84%。該復合材料光驅動響應速率快，但可重復驅動性不好。

圖3 復合材料的測力裝置示意圖[58]Fig.3 Schematic illustration of test dynamometer for composites[58]

圖4 GNP/PDMS復合材料光驅動器[9] (a)GNP/PDMS復合材料光驅動下提升重物圖；(b)單軸定位器Fig.4 GNP/PDMS light-driven actuator[9] (a)light-driven GNP/PDMS lifting mass；(b)simplified single-axis nanopositioner layout

圖5 水凝膠執行器的控制運動[22] (a)仿生手NIR照射下彎曲或不彎曲狀態圖；(b)圓形復合水凝膠的折疊；(c)仿生蟲原理圖Fig.5 Controlled motion of hydrogel actuators[22] (a)images of the fingers of a hand-shaped hydrogel bending and unbending in response to the location of a NIR laser spot；(b)images of folding of a circular composite hydrogel；(c)images of a light-driven crawler

2014年，韓國建國大學的Dong等[59]制備了薄壁碳納米管/還原氧化石墨烯/超支化聚氨酯(Thin-walled Carbon Nanotube/Reduced Graphene Oxide/Hyperbranched Polyurethane，TWNT/RGO/HBPU)復合材料，并對各組分間的協同效應進行了研究。其中， TWNT和RGO分別用來吸收近紅外光和提高復合材料力學性能，如圖6所示。研究表明，TWNT和RGO在復合材料中良好的分散性以及碳納米管和石墨烯之間的三維增強互連，使得復合材料的光驅動恢復性能明顯好于純TWNT復合材料和純RGO復合材料。其中，TWNT和RGO所占質量分數為1%、TWNT與RGO之比為7∶3時，其光驅動形狀恢復性能最佳，即該復合材料在近紅外光移除后的10s內恢復為原形狀的83.77%。

圖6 TWNT/RGO/HBPU復合材料的光驅動示意圖(a)、彎曲(b)及拉伸狀態下(c)NIR驅動TWNT/RGO/HBPU形狀恢復[59] Fig.6 Diagrams of laser-induced actuation for TWNT/RGO/HBPU composite(a)，the photothermal shape recovery actuation behavior in a bending(b) and an extension(c) mode for the TWNT/RGO/HBPU during the NIR irradiation[59]

四川大學的Shi等[65]成功制備了一種PNIPAM-GO復合材料，并利用該材料的光機械效應設計了一種近紅外光遠程控制電路開關。由于結合了小分子的化學交聯和GO納米片的物理交聯，該復合水凝膠材料具有超高彈性。此外，PNIPAM-GO復合材料在近紅外光驅動下響應快速、可重復驅動性良好。但該復合材料所獲取的驅動力有限，并且對特殊各向異性基板具有依賴性，很難應用于人工肌肉等領域。

Lashgari[66]在研究GNPs對聚左旋乳酸(Poly(L-Lactic Acid)，PLLA)形狀記憶性能影響的同時，探索了PLLA/GNPs復合材料近紅外光驅動的可能性。通過差示掃描量熱法和X射線衍射法測得，GNPs質量分數較小時，PLLA/GNPs復合材料的熱驅動和近紅外驅動的形狀記憶性能較好，如圖7所示。該復合材料的形狀恢復率由純PLLA時的86%增加到95%，較之前有很大的提高。然而，當GNPs質量分數增大時，GNPs分散性不足，復合材料性能的提高受限。

圖7 PLLA及其復合材料在近紅外光驅動下的溫度分布圖和變形[66]Fig.7 Temperature distribution and deformation of pure PLLA and its nanocomposites during infrared actuation recovery[66]

2.1.2 雙層薄膜驅動

雙層薄膜驅動的紅外光驅動器通常由基于石墨烯基大分子復合材料薄膜和聚合物薄膜兩層薄膜構成。因薄膜間不同的楊氏模量和熱傳導系數，當近紅外光照射時，基于石墨烯基大分子復合材料構成的薄膜與另一層聚合物薄膜之間產生一定溫度差。雙層膜之間為各向異性的變形，這種不對稱的熱機械反應引起雙層薄膜的彎曲運動[67-68]。因石墨烯材料的負熱膨脹系數，通常彎向含有石墨烯復合材料的薄膜一側[69]。很多復雜的運動，如行走、旋轉、模仿手部動作和振動，可通過對雙層薄膜的合理設計實現[49,70-71]。

Wu等[72]研究出一種具有近紅外光機械效應和良好柔軟度的石墨烯-殼聚糖(Graphene-Chitosan)復合材料，并通過與聚乙烯(Poly Ethylene，PE)構成雙層薄膜結構，設計了一種微型機器人和步行蠕蟲，如圖8所示。其中，步行蠕蟲行走穩定，行走速率可達3.8mm·min-1。該研究突破傳統技術限制，實現可遠程控制的透明柔性光驅動器的制備，為透明機器人和微納米機械的3D制造提供了一種新方法。研究表明，近紅外光驅動下，該復合材料響應迅速，驅動的可重復性很好(超過1000次)，壽命較長。但石墨烯的質量分數及石墨烯層數對復合材料的光驅動效率影響尚不明確。

圖8 微型機器人抓取-釋放過程圖(a)及步行蠕蟲行走運動圖(b)[72]Fig.8 Gripping-releasing process diagrams of microrobot(a)and the walking motion of walking worm(b)[72]

2011年，吉林大學的Ma等[73]報道了一種對濕度敏感的彎曲/非彎曲雙層步行裝置。該步行裝置的雙層膜由聚丙烯酸/聚烯丙基胺鹽酸鹽(Poly(acrylic acid)/Poly(allylamine hydrochloride)，PAA/PAH)和紫外光固化光學膠-63(Norland Optical Adhesive-63，NOA-63)構成，如圖9(a)所示。分析表明，PAA/PAH具有較高的楊氏模量和濕度膨脹因子。失水的步行裝置在吸水后27s內恢復原狀，可重復驅動性好并且沒有任何疲勞性。然而，作為激勵，裝置周圍的濕度很難精確控制。Ji等[69]利用多巴胺-還原氧化石墨烯(Polydopamine-modified Reduced GO，PDA-RGO)和NOA-63制作了結構相同的雙層步行裝置，如圖9(b)所示。利用PDA的親水性和RGO的光熱效應，實現步行裝置濕度響應到近紅外響應的轉換。近紅外光照射2.4s，該步行裝置達到最大彎曲狀態；近紅外光關閉3.8s后，恢復原狀。該復合材料具有高響應速率，但其受周圍環境濕度的影響明顯。

華南理工大學的Zhang等[74]通過將氧化石墨烯-鋰蒙脫石黏土-聚N-異丙基丙烯酰胺(Graphene Oxide-hectorite clay-poly(N-isopropylacrylamide)，GO-PNIPAmNC)凝膠層堆積到PNIPAmNC凝膠層上，研制出一種新型的雙層凝膠光驅動器。近紅外光照射60s后，該雙層凝膠光驅動器發生彎曲并開始提起重物；照射110s后，重物被提升21mm。借助凝膠的自支撐力，該彎曲運動可以在空氣中實現。但該復合材料響應速率緩慢，凝膠的固有失水性未明顯改善，可重復操作性較低。

圖9 (PAA/PAH)/NOA-63雙層膜結構圖(a)[73]及步行裝置運動分解圖(b)[69]Fig.9 Schematic illustration of (PAA/PAH)/NOA-63 bilayer film(a)[73] and kinematic diagrams of the walking device(b)[69]

西安交通大學的Jiang等[7]利用Loomis團隊研制的GNPs/PDMS薄膜和PDMS薄膜構造雙層薄膜，并設計了一種近紅外光驅動的人造仿生魚，如圖10所示。研究表明，與類似CNT微驅動器近20s的響應時間相比，該仿生魚有更短的響應時間(3.4s),而且有很好的可逆性和重復性。然而，該裝置對液體(比如水)環境有一定的依賴性。

圖10 微型魚在水中運動圖(a)及仿生魚模仿魚游動圖(b)[7]Fig.10 Illustration of microfish moving in water(a) and an artificial microfish to mimic fish swimming(b)[7]

蘇州納米研究所的Hu等[10]成功制備了初始狀態為卷軸狀的氧化石墨烯-碳納米管/聚二甲基硅氧烷(Reduced Graphene Oxide-Carbon Nanotubes/Poly(dimethylsiloxane)，RGO-CNT/PDMS)復合材料，并進行了相應的實驗。結果表明，該雙層薄膜日光照射3.6s便可以實現479°的彎曲變形，具有較快的響應速率和較大的驅動變形。此外，通過設計結構，雙層薄膜可實現光驅動器的多種運動輸出。該復合材料的力學性能良好，但成本較高。

東華大學的Wang等[75]利用簡便的抽濾方法將GO及氧化石墨烯-聚多巴胺(GO-Polydopamine，GO-PDA)納米片組裝成微米厚的石墨烯紙。在近紅外光作用下，該石墨烯紙通過GO層對水分子的吸附與脫附來驅動變形，可以迅速(3s以內)折疊成預設的形狀。在光熱刺激下，由該石墨烯紙制成的仿生手還可實現物體的抓取，且具有較好的力學性能和響應速率。但該石墨烯紙對微弱的環境變化非常敏感。

2.2 基于石墨烯磺化物復合材料的近紅外光驅動器

一些有關其他種類的石墨烯納米復合材料的近紅外光驅動器也有少量的研究報道。為保證石墨烯材料sp2碳結構的完整性，提高其在聚合物中的分散性，南開大學的Liang等[76]在2009年研制了一種由質量分數為1%的磺化石墨烯(sulfonated-Graphene，sG)與熱塑性聚氨酯(Thermoplastic Polyurethane，TPU)構成的sG/TPU納米復合材料，如圖11所示。通過與rGO/TPU和異氰酸酯-石墨烯/TPU等復合材料的對比得到，sG/TPU復合材料有更好的有機溶液溶解性和紅外光吸收性，形狀恢復性較好(88%～95%)，但可重復驅動性較差(10次左右)。

3 存在的問題及發展趨勢

隨著對石墨烯材料研究的不斷深入，研究人員已經制備出多種具有光機械效應的石墨烯復合材料，在光驅動方面的研究進展明顯。但要實現在生物醫療、微納機械等領域的應用，仍面臨諸多問題。目前存在的問題主要有：(1)石墨烯材料與聚合物構成復合材料時，分散性較差，影響整體的力學性能和光驅動性能；(2)石墨烯層數、質量分數等對復合材料光驅動效率的影響尚不清楚；(3)石墨烯復合材料受大分子聚合物(如水凝膠)性質的影響，驅動的可重復性降低并且對驅動環境有一定的依賴性；(4)石墨烯復合材料的光機械轉換效率依舊較低；(5)精確控制光驅動器中復合材料的光熱轉換能力仍然是個挑戰。

圖11 紅外驅動sG/TPU示意圖[76] (a)紅外光照射前(左)、后(右)形狀恢復對比；(b)紅外光照射sG/TPU提起重物；(c)iG/TPU (isocyanate-graphene/TPU)和sG/TPU紅外驅動性能的對比Fig.11 Schemetic diagrams of IR actuation for sG/TPU[76](a)comparison of shape recovery before(left) and after(right) remotely actuated by infrared light；(b)sG/TPU lifting a mass under infrared light；(c)comparison of IR actuation performance for iG/TPU and sG/TPU

隨著科技的發展和各領域對驅動裝置越來越多的需求，具有遠程可控性、生物相容性、能源環保性等優點的紅外光驅動技術引起了研究人員的關注。而醫療設備、防爆驅動、光學、微納機械等領域對光驅動技術的高響應速率、高可重復驅動性、大變形和高機械轉換效率等要求也逐漸顯現出來。復合材料光驅動技術將在三方面重點發展：(1)改進石墨烯復合材料的合成方法。通過均勻分散石墨烯材料等來提高復合材料的光機械轉換效率，使驅動器具有更好的驅動性能；(2)進行復合材料的動力學研究。探索石墨烯材料種類、片層數、質量分數等對復合材料響應速率、可重復驅動性等性能的影響，為實際應用奠定理論基礎；(3)探索將石墨烯材料與其他材料(如CNTs)結合用作復合材料的填料，來進一步提高復合材料力學性能，實現石墨烯復合材料光驅動器的更高效、快速驅動。

4 結束語

基于石墨烯復合材料的光驅動器可將光照轉換為機械變形，具有無線驅動、遠程控制、低噪聲等諸多優點。特別是，因質量輕、加工性能好、低成本、具有類似人工肌肉的高效性，而具有廣闊的應用前景。基于石墨烯基大分子復合材料的光驅動器主要有單層薄膜驅動和雙層薄膜驅動兩種。單層薄膜光驅動器制作簡單，但受預拉伸力引起光驅動的不確定性、響應速率較慢、形狀恢復性差等因素影響，限制了其進一步應用。雙層薄膜光驅動器響應速率快、可重復驅動性較好，但其光機械轉換效率較低，目前仍處于研究階段。而基于石墨烯磺化物復合材料的光驅動器的石墨烯材料分散性好、形狀恢復性佳，但可重復驅動性較差。目前，基于石墨烯復合材料的光驅動器仍存在石墨烯材料分散不均勻、影響光驅動效率的因素不明確、對驅動環境有一定的依賴性、光機械轉換效率較低等問題。嘗試將石墨烯材料與不同聚合物構成具有光機械效應的復合材料是目前的主要研究熱點之一。通過改善石墨烯復合材料的合成方法，探索石墨烯材料與其他材料一起作為光驅動復合材料的填料等是未來的主要發展趨勢。總之，因具有非整體驅動、遠程可控、環保等諸多優點，基于石墨烯復合材料的光驅動技術在仿生物研究、微型機器人、生物醫療等領域將發揮重要作用。

[1] ZHANG L,WANG X,LI R,et al. Microcombing enables high-performance carbon nanotube composites[J]. Composites Science & Technology,2016,123:92-98.

[2] GUALANDI C,CELLI A,ZUCCHELLI A,et al. Advances in polymer science[J]. Advances in Polymer Science,2014,267:87-142.

[3] KIM J S,LEE D Y,KOH J S,et al. Component assembly with shape memory polymer fastener for microrobots[J]. Smart Materials & Structures,2014,23(1):15011-15022.

[4] YOON C K,XIAO R,PARK J H,et al. Functional stimuli responsive hydrogel devices by self-folding[J]. Smart Materials & Structures,2014,23(9):639-650.

[5] BOYVAT M,HAFNER C,CEUTHOID J,et al. Wireless control and selection of forces and torques--towards wireless engines[J]. Scientific Reports,2014,4(2/3):5681.

[6] WEI J,LIU Y,CHEN J,et al.Azobenzene-derived surfactants as phototriggered recyclable templates for the synthesis of ordered mesoporous silica nanospheres[J]. Advanced Materials,2014,26(11):1782-1787.

[7] JIANG W,NIU D,LIU H,et al. Photoresponsive soft-robotic platform: biomimetic fabrication and remote actuation[J]. Advanced Functional Materials,2014,24(48):7598-7604.

[8] PATEL R,KUMARI M,KHAN A B. Recent advances in the applications of ionic liquids in protein stability and activity: a review[J]. Applied Biochemistry & Biotechnology,2014,172(8):3701-3720.

[9] LOOMIS J,FAN X,KHOSRAVI F,et al. Graphene/elastomer composite-based photo-thermal nanopositioners[J]. Scientific Reports,2013,3(5):1900.

[10] HU Y,WU G,LAN T,et al. A graphene-based bimorph structure for design of high performance photoactuators[J]. Advan-ced Materials,2015,27(47):7867-7873.

[11] LIMA M D,NA L,MONICA J D A,et al. Electrically,chemically,and photonically powered torsional and tensile actuation of hybrid carbon nanotube yarn muscles[J].Science,2012,338(6109):928-932.

[12] LIU K,CHENG C,CHENG Z,et al. Giant-amplitude, high-work density microactuators with phase transition activated nanolayer bimorphs[J]. Nano Letters,2012,12(12):6302-6308.

[13] MORIMOTO M,IRIE M. A diarylethene cocrystal that converts light into mechanical work[J]. Journal of the American Chemical Society,2010,132(40):14172-14178.

[14] SINGHAL P,SMALL W,COSGRIFF-HERNANDEZ E,et al. Low density biodegradable shape memory polyurethane foams for embolic biomedical applications[J].Acta Biomaterialia,2014,10(1):67-76.

[15] GRECO F. Liquid single crystal elastomer/conducting polymer bilayer composite actuator: modelling and experiments[J]. Soft Matter,2013,9(47):11405-11416.

[16] PONNAMMA D,SADASIVUNI K K,GROHENS Y,et al. Carbon nanotubes based elastomer composites-an approach towards multifunctional materials[J]. Journal of Materials Chemistry C,2014,2(40):8446-8485.

[17] HABERL J M,SNCHEZ-FERRER A,MIHUT A M,et al. Light-controlled actuation,transduction,and modulation of magnetic strength in polymer nanocomposites[J]. Advanced Functional Materials,2014,24(21):3179-3186.

[18] SAHOO N G,RANA S,CHO J W,et al. Polymer nanocomposites based on functionalized carbon nanotubes[J]. Progress in Polymer Science,2010,35(7):837-867.

[19] ZHANG X F,LIU T,SREEKUMAR T V, et al. Poly(vinyl alcohol)/SWNT composite film[J].Nano Letters,2003,3(9):1285-1288.

[20] GHOSH S,DUTTA S,GOMES E,et al. Increased heating efficiency and selective thermal ablation of malignant tissue with DNA-encased multiwalled carbon nanotubes[J].ACS Nano,2009,3(9):2667-2673.

[21] KULKARNI D D,CHOI I,SINGAMANENI S S,et al. Graphene oxide-polyelectrolyte nanomembranes[J].ACS Nano,2010,4(8):4667-4676.

[22] WANG E,DESAI M S,LEE S W. Light-controlled graphene-elastin composite hydrogel actuators[J]. Nano Letters,2013,13(6):2826-2830.

[23] FRANCOIS P,ANDREIA F D F,MENACHEM E. Environmental applications of graphene-based nanomaterials[J]. Cheminform,2015,44(16):5861-5896.

[24] HONTORIA-LUCAS C,LPEZ-PEINADO A J,LPEZ-GON-ZLEZJ D D, et al. Study of oxygen-containing groups in a series of graphite oxides: physical and chemical characterization[J]. Carbon,1995,33(11):1585-1592.

[25] NOVOSELOV K S,GEIM A K,MOROZOV S V,et al. Electric field effect in atomically thin carbon films[J]. Science,2004,306(5696):666-669.

[26] HEER W A D,BERGER C,WU X,et al. Epitaxial graphene[J]. Solid State Communications,2007,143(1/2):92-100.

[27] LEE S H,LEE Y,YOH J J. Reduced graphene oxide coated polydimethylsiloxane film as an optoacoustic transmitter for high pressure and high frequency ultrasound generation[J]. Applied Physics Letters,2015,106(8):241904-241909.

[28] BAE S,KIM H K,LEE Y,et al. 30 inch roll-based production of high-quality graphene films for flexible transparent electrodes[J]. Eprint Arxiv,2009,5(8):574-578.

[29] LIU J,WANG C,JIANG Y,et al. Graphene signal amplification for sensitive and real-time fluorescence anisotropy detection of small molecules[J]. Analytical Chemistry,2013,85(3):1424-1430.

[30] LU Q,ARROYO M,HUANG R. Elastic bending modulus of monolayer graphene[J]. Journal of Physics D Applied Physics,2009,42(1):102002-102007.

[31] GUSYNIN V P,SHARAPOV S G. Unconventional integer quantum Hall effect in graphene[J]. Physical Review Letters,2005,95(14):146801.

[32] SCHWAB M G,NARITA A,HERNANDEZ Y,et al. Structurally defined graphene nanoribbons with high lateral extension[J]. Journal of the American Chemical Society,2012,134(44):18169-18172.

[33] LEE C,WEI X,KYSAR J W,et al. Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene [J]. Science,2008,321(5887):385-388.

[34] BHATTACHARYA K. Microstructure of martensite[M]. New York:Oxford University Press,2003.

[35] SIMONE P,MICHELE L,CINZIA C,et al. Breakdown of the adiabatic born-oppenheimer approximation in graphene[J]. Nature Material,2007,6(3):198-201.

[36] GONG L,KINLOCH I A,YOUNG R J,et al. Interfacial stress transfer in a graphene monolayer nanocomposite[J]. Revista De Protección Vegetal,2010,22(24):2694-2697.

[37] JIANG J W,WANG J S,LI B,et al. Thermal conductance of graphene and dimerite[J]. Physical Review B Condensed Matter,2009,79(20):14-17.

[38] WANG S,TAMBRAPARNI M,QIU J,et al. Thermal expansion of graphene composites[J]. Macromolecules, 2009,42(14):5251-5255.

[39] BAO W Z,MIAO F,CHEN Z,et al. Ripple texturing of suspended graphene atomic membranes[J]. 1038/nnano,2009.

[40] HUANG X,QI X,BOEY F,et al. Graphene-based composites[J]. Chemical Society Reviews,2011,41(2):666-686.

[41] ACIK M,LEE G,MATTEVI C,et al. Unusual infrared-absorption mechanism in thermally reduced graphene oxide[J]. Nature Materials,2010,9(10):840-845.

[42] TSUNG-TA T,YUANBO Z,CHEOL-HWAN P,et al. A tunable phonon-exciton Fano system in bilayer graphene[J]. Nature Nanotechnology,2010,5(1):32-36.

[43] SAMOILOV V M,NIKOLAEVA A V,DANILOV E A,et al. Preparation of aqueous graphene suspensions by ultrasonication in the presence of a fluorine-containing surfactant[J]. Inorganic Materials,2015,51(2):98-105.

[44] ZHU Y,MURALI S,CAI W,et al. Graphene-based materials: graphene and graphene oxide: synthesis, properties, and applications[J]. Advanced Materials,2010,22(35):3906-3924.

[45] KRISHNAMOORTHY K,VEERAPANDIAN M,MOHAN R,et al. Investigation of Raman and photoluminescence studies of reduced graphene oxide sheets[J]. Applied Physics A,2012,106(3):501-506.

[46] ZHU S E,SHABANI R,RHO J,et al. Graphene-based bimorph microactuators[J]. Nano Letters,2011,11(3):977-981.

[47] HUANG Y. The application of graphene based materials for actuators[J]. Journal of Materials Chemistry,2012,22(9):3671-3679.

[48] ANSARI S,RAHIMA C,MURALIDHARAN M N. Photomechanical characteristics of thermally reduced graphene oxide-polydimethylsiloxane nanocomposites[J].Polymer-Plastics Technology and Engineering,2013,52(15):1604-1610.

[49] ZHANG X,YU Z,WANG C,et al. Photoactuators and motors based on carbon nanotubes with selective chirality distributions[J]. Nature Communications,2014,5(1):149-168.

[50] CHUA C K,PUMERA M. Chemical reduction of graphene oxide: a synthetic chemistry viewpoint[J]. Chemical Society Reviews,2013,43(1):291-312.

[51] PEI S,CHENG H M. The reduction of graphene oxide[J]. Carbon,2012,50(9):3210-3228.

[52] STANKOVICH S,PINER R D,NGUYEN S B T,et al. Synthesis and exfoliation of isocyanate-treated graphene oxide nanoplatelets[J]. Carbon,2006,44(15)：3342-3347.

[53] LO C W,ZHU D,JIANG H. An infrared-light responsive graphene-oxide incorporated poly(N-isopropylacrylamide) hydrogel nanocomposite[J]. Soft Matter,2011,7(12):5604-5609.

[54] BALANDIN A A. Thermal properties of graphene and nanostructured carbon materials[J]. Nature Material, 2011,10(8): 569-581.

[55] MANJAVACAS A,THONGRATTANASIRI S,GREFFET J J,et al. Graphene optical-to-thermal converter[J].Applied Physics Letters,2014,105(21):553-557.

[56] HU J,ZHU Y,HUANG H,et al. Recent advances in shape-memory polymers: structure, mechanism, functionality, modeling and applications[J]. Progress in Polymer Science,2012,37(12):1720-1763.

[57] LOOMIS J,KING B,BURKHEAD T,et al. Graphene-nanoplatelet-based photomechanical actuators[J]. Nanotechnology,2012,23(4):119-156.

[58] SHPIGEL M,LEE J,SOOHOO B,et al. Layer dependent mechanical responses of graphene composites to near-infrared light[J]. Applied Physics Letters,2012,100(7):491.

[59] DONG H Y,YOO H J,MAHAPATRA S S,et al. The synergistic effect of the combined thin multi-walled carbon nanotubes and reduced graphene oxides on photothermally actuated shape memory polyurethane composites[J]. Journal of Colloid & Interface Science,2014,432(20):128-134.

[60] PORWAL H,TATARKO P,GRASSO S,et al. Toughened and machinable glass matrix composites reinforced with graphene and graphene-oxide nano platelets[J]. Science & Technology of Advanced Materials,2013,14(5):55007-55010.

[61] LIM G K,CLARK J,HO P K H,et al. Giant broadband nonlinear optical absorption response in dispersed graphene single sheets[J]. Nature Photonics,2011,5(9):554-560.

[62] ZHAO Y,SONG L,ZHANG Z,et al. Stimulus-responsive graphene systems towards actuator applications[J]. Energy & Environmental Science,2013,6(12):3520-3536.

[63] CHENG H,LIU J,ZHAO Y,et al. Graphene fibers with predetermined deformation as moisture-triggered actuators and robots[J]. Angewandte Chemie International Edition,2013,125(40):10676-10680.

[64] ROBINSON J T,TABAKMAN S M,LIANG Y,et al. Ultrasmall reduced graphene oxide with high near-infrared absorbance for photothermal therapy[J]. Journal of the American Chemical Society,2011,133(17):6825-6831.

[65] SHI K,LIU Z,WEI Y Y,et al. Near-infrared light-responsive poly(N-isopropylacrylamide)/graphene oxide nanocomposite hydrogels with ultrahigh tensibility[J]. ACS Applied Materials & Interfaces,2015,7(49):27289-27298.

[66] LASHGARI S. Shape memory nanocomposite of poly(L-lactic acid)/graphene nanoplatelets triggered by infrared light and thermal heating[J]. Express Polymer Letters,2016,10(4):349-359.

[67] REYSSAT E,MAHADEVAN L.Hygromorphs:from pine cones to biomimetic bilayers[J]. Journal of the Royal Society Interface,2009,6(39):951-957.

[68] HU Y,LAN T,WU G,et al. A spongy graphene based bimorph actuator with ultra-large displacement towards biomimetic application[J]. Nanoscale,2014,6(21):12703-12709.

[69] JI M,JIANG N,CHANG J,et al. Near-infrared light-driven, highly efficient bilayer actuators based on polydopamine-modified reduced graphene oxide[J]. Advanced Functional Materials,2014,24(34):5412-5419.

[70] LIU B,LI C,LIU Q L,et al. Hybrid film of silver nanowires and carbon nanotubes as a transparent conductive layer in light-emitting diodes[J]. Applied Physics Letters,2015,106(3):2779.

[71] TACCOLA S,GRECO F,SINIBALDI E,et al. Soft actuators: toward a new generation of electrically controllable hygromorphic soft actuators[J]. Advanced Materials,2015,27(10):1668-1675.

[72] WU C Z,FENG J,PENG L L,et al. Large-area graphene realizing ultrasensitive photothermal actuator with high transparency: new prototype robotic motions under infrared-light stimuli[J].Journal of Materials Chemistry,2011,21(46):18584-18591.

[73] MA Y,ZHANG Y Y,WU B S,et al. Polyelectrolyte multilayer films for building energetic walking devices[J]. Angewandte Chemie International Edition,2011,50(28):6254-6257.

[74] ZHANG E Z,WANG T,HONG W,et al. Infrared-driving actuation based on bilayer graphene oxide-poly(N-isopropylacrylamide) nanocomposite hydrogels[J]. Journal of Materials Chemistry A,2014,2(37):15633-15639.

[75] MU J K,HOU C Y,WANG H Z,et al. Origami-inspired active graphene-based paper for programmable instant self-folding walking devices[J]. Child Maltreatment,2015,1(10):114-125.

[76] LIANG J J,XU Y F,HUANG Y,et al. Infrared-triggered actuators from graphene-based nanocomposites[J]. Journal of Physical Chemistry C,2009,113(22):9921-9927.