海藻多糖用于过渡金属硫属化合物剥离与智能驱动器件构筑研究获进展

图:(A)海藻酸钠(SA)剥离WS2示意图;(B)SA/WS2杂化薄膜光热驱动示意图;(C)SA/WS2杂化薄膜构筑光图:(A)海藻酸钠(SA)剥离WS2示意图;(B)SA/WS2杂化薄膜光热驱动示意图;(C)SA/WS2杂化薄膜构筑光驱动仿生抓手。驱动仿生抓手。

海洋覆盖了近四分之三的地表面积,是巨大的资源宝库,人类生产、生活中许多必需品都来源于海洋。比如,主要来源于褐藻的海洋多糖海藻酸盐(钠),具有易溶、增稠、易成膜、易凝胶化、生物相容、可降解等众多优良性能。海藻酸盐产量巨大且成本低廉,在食品、服装、保健、环境修复等领域展现出巨大的应用潜力。然而,海藻酸盐在纳米技术和智能器件等方面的研究及应用却鲜有报道。

图:(A)海藻酸钠(SA)剥离WS2示意图;(B)SA/WS2杂化薄膜光热驱动示意图;(C)SA/WS2杂化薄膜构筑光图:(A)海藻酸钠(SA)剥离WS2示意图;(B)SA/WS2杂化薄膜光热驱动示意图;(C)SA/WS2杂化薄膜构筑光驱动仿生抓手。驱动仿生抓手。
图:(A)海藻酸钠(SA)剥离WS2示意图;(B)SA/WS2杂化薄膜光热驱动示意图;(C)SA/WS2杂化薄膜构筑光驱动仿生抓手。

近期,中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员李朝旭率领的仿生智能材料团队研究发现,低成本、环境友好的海藻酸钠(SA)能够在水溶液中辅助超声剥离过渡金属硫属化合物(TMDs,如MoS2、WS2、MoSe2、WSe2等)(图1A),并展现出高度选择性。在包含SA在内的一系列多糖中(如酰胺化壳聚糖、羧甲基纤维素、结冷胶、卡拉胶等),SA具有最高的剥离效率;在包含WS2在内的一系列TMDs中(如MoS2、WS2、MoSe2、WSe2等),SA对WS2的剥离效率最高,在短短几个小时内(~8 h)其剥离浓度就可达到1.39 mg ml−1,产率亦高达18.5%。相比于现有文献报道,此方法具有显著优势。

该团队进一步探索发现,这种特异选择性可能源于SA特殊的化学结构,SA结构单元中的β-D-甘露糖醛酸与α-L-古洛糖醛酸含有大量羧基和羟基官能团,能够与WS2通过氢键(-OH···SH-)和配位键(–C=O···W···O=C–)形成很强的相互作用。借助SA和WS2纳米片之间的强相互作用,通过简单的铺膜工艺可以制备具有超强力学性能的SA/WS2纳米片杂化薄膜,其拉伸强度高达422.5 MPa、韧性可达25.76 MJ m−3,足以和天然珍珠层、牙齿及骨骼的力学性能相媲美。进一步结合WS2纳米片的高效光热转化性能和SA亲水及键合多价金属离子的能力,该团队成功开发出一系列光驱动仿生智能器件,如光驱马达、爬动柔性机器人、仿生抓手等(图B、C)。

这些发现有助于进一步拓展SA在生物技术、材料科学、纳米技术等领域的应用;将传统天然海洋多糖与新型二维材料有机结合同样有助于柔性机器人、智能材料与器件等技术领域的发展。以上研究成果发表于最新一期的《先进材料》(Advanced Materials,DOI: 10.1002/adma.201604691)上。

该研究获得了国家自然科学基金(No. 21474125、51608509)、中组部“青年千人计划”、博士后科学基金(2016M590670)、山东省“泰山青年学者计划”和山东省杰出青年基金(JQ201609)等项目的支持。

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