太陽能是一種清潔、無污染的綠色能源，高效利用太陽能一直是全世界科學家孜孜以求的目標。那麼，能否省去光電轉化環節，直接將太陽能轉化為穩定、持續的機械能？中國科學家給出了答案。
日前，南開大學等合作團隊研獲一種基於多孔薄膜的自振蕩“太陽能人工肌肉驅動器”，並探索了作為發動機的應用，將這一想象變為現實，為人類高效利用太陽能開闢了一條新路徑。介紹該研究工作的論文發表於國際知名學術期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。
這種基於多孔柔性聚丙烯/炭黑薄膜的自振蕩人工肌肉驅動器由南開大學劉遵峰教授、陳永勝教授、中國藥科大學周湘副教授合作團隊共同設計，他們在這一原理突破的基礎上，開發出“太陽能人工肌肉發動機”。
該論文第一作者是李晶晶博士，南開大學劉遵峰教授、陳永勝教授、中國藥科大學周湘副教授為論文共同通訊作者。該研究工作獲國家自然基金、科技部重點研發計劃、天津市重點基金等支持。
驅動器是一種在外界環境刺激下產生機械變形，並將光能、熱能、化學能等各種環境能量轉換為機械能，從而產生驅動力的硬件，也是微機電系統、光發動機等應用場景中不可或缺的核心部件。研發一種自發且持續實現能量轉化的軟體驅動器是該領域的關鍵難點之一。
“自振蕩是生物有機體的一個重要特性，比如心臟跳動、細胞循環等，為設計連續運動的軟體機器人及自主智能裝置提供了方向。”劉遵峰教授介紹，目前已有科研團隊成功構建了光響應自振蕩驅動器，然而，在太陽光等散射光刺激下發生自振蕩運動並用於機械做功始終沒能實現。
研究人員發現，聚合物薄膜中的溶劑蒸發會導致體積收縮，且光照射薄膜一側會加速薄膜內部溶劑蒸發，導致各向異性體積收縮，從而產生向光彎曲。“實驗證明，在薄膜中引入多孔結構可以有效促進溶劑分子的質量傳遞，從而導致薄膜材料發生更快的彎曲速度和更大的彎曲幅度。因此，我們認為，基於多孔薄膜的光誘導溶劑蒸發可能是實現自振蕩驅動的良好候選者。”劉遵峰教授說。
在上述研究的基礎上，聯合研究團隊研最終設計研發出這種基於太陽光的自振蕩驅動薄膜。它主要通過光熱衍生的溶劑蒸發引起的聚丙烯/炭黑聚合物薄膜兩側的交替體積減小實現振動，聚合物薄膜中的各向異性溶劑蒸發和快速梯度擴散在發散光的照射下維持振蕩彎曲驅動。
該工作首次實現了在包括太陽光、紅外光和模擬太陽光等發散光下的自振蕩驅動，也實現了在不同發散光照射角度下的自振蕩運動。這種光響應自振蕩驅動器具有優異的振蕩做功性能（在紅外光下可達到的功密度為30.9×10-5 J/g，功率密度為15.4×10-5 W/g）、出色的負載能力（可負載4倍於自身重量的物體）和較高的能量轉換效率（0.9%），並在溶劑不斷供應的情況下保持持續振蕩運動，不會停止。
“這項工作為‘太陽能發動機’提供了一種全新的設計策略，有助於自驅動設備的研發，並將促進其他領域跨學科交叉，助力智能材料、柔性器件等智能設備領域的快速發展。”陳永勝教授說。
劉遵峰，化學學院高分子化學研究所教授。研究領域包括：仿生智能高分子材料，包括高強韌人造蜘蛛絲、人工肌肉、柔性電子、柔性製冷等。
陳永勝，南開大學化學學院高分子化學研究所教授。長期從事有機高分子和碳納米材料的相關研究，在綠色能源轉化與存儲領域做出了重要貢獻。
太陽能來源廣泛、清潔無害，太陽能產業作為新能源產業中發展較為成熟的產業，正在為“雙碳”目標的實現不斷提供助力。未來，南開人將繼續秉承“允公允能，日新月異”的校訓，篤行不怠探索科學前沿，在知與行中觸摸中國發展的脈搏，求得真學問、解決大問題。
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本文素材來自：南開大學新聞網、Nature Communications、南開大學化學學院官網、新華網
