基于MXene/絲素蛋白納米復合材料的仿生促動器在實驗教學中的設計與探索

＊杜春保 朱亞楠 薛丹 程淵

（1.西安石油大學化學化工學院 陜西 710065 2.蘇州工業園區蒙納士科學技術研究院 江蘇 215000）

自然界中許多動植物擁有感應外部環境中自然能量的變化并對此做出相應的機械運動的能力，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了人類研制具有環境刺激響應特性的促動器的興趣。促動器也叫執行器、制動器、驅動器，可以在外部刺激下（電場、溫度、溶劑、濕度和光等）實現可控的機械響應[1]，將輸入的能量轉換成二維或三維運動，在無接觸式智能設備中展現出了廣闊的應用價值[2-3]。針對學生層次和教學目的的差異性，本實驗在不使用任何有機化學試劑的條件下設計了“基于MXene/絲素蛋白納米復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綜合實驗、設計實驗與創新實驗。通過不同模塊實驗的結合使學生建立全局思維，并逐步培養發現問題、分析問題和解決問題的能力，增強學生的創新意識與實踐能力。在《化學類專業本科教學質量國家標準》[4]中，教育部高等學校化學類專業教學指導委員會提出“應注重培養學生創新意識和實踐能力，引入基礎和應用研究的新進展”等內容。本實驗項目的設計是基于國家標準，并符合當前國家“雙碳”和綠色化學理念，摒棄了當前化學實驗教學弊病，與新時代化學教育的導向和方針相契合。

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，實現二維材料MXene Ti3C2Tx與絲素蛋白在水溶液中的結合，并通過簡易的真空抽濾，即可得到MXene/絲素蛋白納米復合薄膜。將MXene/絲素蛋白納米復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性能。（2）試劑及材料：完整蠶繭，家庭自養獲得。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），上海儀昕科學儀器有限公司。超聲波清洗器（KH-250DB型），昆山禾創超聲儀器有限公司。高速離心機（TG20G），河南北弘實業有限公司。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），寧波遠明激光技術有限公司。接觸角測量儀（JC2000 DS），上海中晨數字技術設備有限公司。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，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/絲素蛋白納米復合薄膜。將MXene/絲素蛋白納米復合薄膜裁剪成一定形狀（可根據個人愛好），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境，研究仿生促動器在濕度環境下的促動性能，室內相對濕度為44.8%，溫度26.8℃。

3.結果與討論

（1）潤濕性能。MXene/絲素蛋白納米復合薄膜在反復進行彎曲后仍然可以保持良好的完整性，而純MXene薄膜在反復彎曲后則容易斷裂。由于MXene/絲素蛋白納米復合薄膜為雙層結構，其基底層為混合纖維素濾膜，活性層為MXene/絲素蛋白復合材料，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/絲素蛋白納米復合薄膜的基底層和活性層表面。通過觀察可以發現，水滴在基底層上可以迅速鋪展開，而在活性層表面則呈現半球形，這表明基底層具有超強的親水性，而MXene/絲素蛋白復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構，從而暴露出部分疏水區域，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/絲素蛋白納米復合薄膜的刺激響應性能。

（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，將其轉化為熱[5]，而基底層的光熱轉化效率極低，導致仿生促動器的基底層和活性層之間的膨脹系數和應變系數存在差異，從而使得仿生促動器產生彎曲運動。

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肩部，左端整體受力平衡，不發生移動，而右端受力不均勻，合力向右，從而向右移動。當移除光源后，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生整體向右移動的現象。

（3）仿生促動器的濕度響應性能。由于自然濕度環境差異較難控制，本實驗采用普通加濕器模擬自然濕度環境差異，探索仿生促動器的濕度響應性能。如圖2（a）所示，仿生促動器在濕度較低的環境下處于彎曲狀態。當打開加濕器時，環境的濕度較大，仿生促動器在18s內呈現不同的伸展狀態，并最終完全展開。如圖2（b）所示，當關閉加濕器時，環境濕度急劇降低，仿生促動器在24s內呈現不同的彎曲狀態，并最終恢復至與初始狀態接近的完全狀態。如同前面所得到的分析結果，仿生促動器的基底層與活性層對水具有明顯的潤濕差異，從而導致膨脹系數和應變系數的差異，進而使得仿生促動器產生彎曲運動。

圖2 仿生促動器在高濕度（a）和低濕度（b）環境下的響應性能

（4）實驗拓展。本實驗的原理是基于仿生促動器的雙層結構對光或熱的不同刺激響應所引起的膨脹系數和應變系數的差異進而促使仿生促動器的彎曲運動。因此，根據這一原理，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，將光熱響應物質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、濕度環境下的促動可能性以及促動性能之間的差異。

4.結語

本實驗將仿生學引入課堂，合成了一系列仿生促動器，探索了其對光、濕度的響應性能，將科技前沿引入了基礎教學之中，通過交叉學科的融合，激發學生對實際應用的暢想，并引導學生探索物質結構與性能之間的關系。本實驗切合化學實驗教學實際，涉及物理化學和高分子化學與物理等多個化學二級學科，并打破傳統的學科壁壘，融入力學和仿生學特征，培養學生的多學科交叉融合理念和創新思維。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、設計實驗和創新實驗（見表1），適應不同層次化學實驗教學的要求[6]。

5.創新性

（1）本實驗涉及多個學科，有利于培養學生的創新思維。（2）通過自然刺激響應，引導學生體會仿生材料的結構和性能的關系。（3）本實驗為模塊化實驗，適合不同層次化學實驗教學需要。

表2 仿生促動器的實驗設計類型