清華孫洪波《AFM》:激光誘導石墨烯膠帶作為可粘貼式標簽製備集成化光熱致動器

近年來，由於(yu) 刺激響應致動器可以從(cong) 環境中獲取各種能量比如光、濕度、磁場能、電能、熱能、和化學能等能量並將它們(men) 轉換成機械能，而無需複雜的外接能量供應係統的優(you) 點而備受關(guan) 注。在不同的能源中，光源具備多樣性、環境友好性、無物理接觸並且對於(yu) 不同介質具有一定的滲透性，而表現出明顯的優(you) 勢。

因此在機器人的遠程操控，微機電係統和片上實驗室等領域能夠通過非接觸方式直接將光能轉換成機械能的方法，吸引來了巨大的研究興(xing) 趣。實際上，光能到機械能的轉換可以通過光化學和光物理過程來實現。前者實現方式包括光化學反應誘導的異致異構化、光二聚化和光催化等等，而後者主要通過光熱轉換效應來實現形變或運動，相關(guan) 的光熱轉換效應有膨脹、Marangoni效應、光熱相變和形狀記憶效應等等。隨著光響應材料和光-功轉換相關(guan) 納米技術的進步，在基礎科學和實際應用方麵的光刺激響應致動器和機器人都取得了快速進步。

Marangoni效應由於(yu) 其可適用的光熱材料的多樣性和可多種光源操控，以及高的能量轉換效率等等優(you) 點，使其在光驅動領域成為(wei) 一個(ge) 有前景的驅動方案。光熱Marangoni效應的本質在於(yu) 光照射下致動器周圍的液體(ti) 被不均勻加熱，這可以在器件周圍對應的位置引起溫度梯度場。一般來說，某種液體(ti) 的表麵張力隨著局部溫度的升高而降低。而特定光熱轉換誘導的溫度提升可以產(chan) 生溫度梯度場從(cong) 而產(chan) 生表麵張力梯度，驅動物體(ti) 向低表麵張力方向移動或旋轉。在我們(men) 之前的工作中已經報道過通過激光直寫(xie) PDMS表麵製備了具有不對稱結構的光熱Marangoni致動器。激光直寫(xie) 不僅(jin) 賦予了PDMS表麵良好的光熱性質，而且使器件擁有了超疏水表麵，有效的減少了液體(ti) 的阻力。在多種光源的照射下，均可實現定向旋轉和線性運動（Adv. Funct. Mater. 2017, 1702946）。

然而，石墨烯或其衍生物作為(wei) 非常優(you) 異的新興(xing) 光熱材料還尚未被用於(yu) 光熱Marangoni致動器中，這是由於(yu) 很難將石墨烯材料與(yu) 具有複雜結構的致動裝置集成在一起。雖然有許多開創性的工作已經證明了激光加工技術在開發獨立和複雜的石墨烯基器件方麵有非常重要的作用，比如激光加工技術能夠靈活實現石墨烯的圖案化、改性和使它結構分層，從(cong) 而便於(yu) 器件製造。然而，為(wei) 了產(chan) 生用於(yu) Marangoni效應的不對稱溫度梯度，光熱材料需要被圖案化並集成到器件的設計位置，而目前達到這一目的是具有挑戰性的。針對這一難題，清華大學孫洪波教授和吉林大學張永來教授團隊合作報道了利用激光誘導石墨烯膠帶（LIG）作為(wei) 可粘貼的光熱標簽來製備基於(yu) Marangoni效應的光驅動致動器。LIG可以通過激光直寫(xie) 技術(DLW)自由地在聚酰亞(ya) 胺（PI）膠帶上形成圖案，並且具有LIG圖案的PI膠帶可以粘貼在任何物體(ti) 上來形成集成化致動器。如圖1所示，在商用的聚酰亞(ya) 胺薄膜上利用激光誘導的方式，可以精確的誘導出光熱性能優(you) 異的圖案化石墨烯。LIG和原始的PI膠帶在光吸收方麵表現出了巨大的差異，在光波長為(wei) 500-2000nm範圍內(nei) ，PI膠帶的光吸收率為(wei) 大約4%，在被激光誘導為(wei) LIG後被顯著的提升至90%左右。如此巨大的光吸收差別也體(ti) 現在了兩(liang) 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。光熱轉換效果的巨大差異為(wei) 後續的Marangoni效應的誘發奠定了基礎。

圖1.a)用於(yu) 開發粘貼式光熱Marangoni致動器的LIG膠帶的製造工藝示意圖。b)激光圖案化LIG蝴蝶的CLSM圖像。c)在聚酰亞(ya) 胺帶上激光處理後形成LIG的示意圖。d)PI膠帶激光誘導前後的掃描電鏡和CLSM圖像。e)LIG的高分辨率掃描電鏡圖像。f)PI膠帶上誘導出的LIG的截麵SEM圖。

集成了LIG膠帶的致動器可以在光的照射下產(chan) 生不對稱的光熱場，從(cong) 而形成局部的表麵張力梯度誘發Marangoni效應。作為(wei) 概念驗證演示，如圖2a-b所示，在白熾燈照射下,一個(ge) 通過上述方法誘導出LIG圖案化的五角星形薄膜形成了熱梯度場，從(cong) 而通過Marangoni效應進行了自驅動。而一個(ge) 在葉柄處集成了LIG致動器的葉子在激光的照射下（圖2c-d），實現了定向的旋轉和線性運動。以此驗證了LIG致動器可以集成於(yu) 其他物體(ti) 形成集成化的光熱Marangoni致動器。

圖2.a)LIG圖案化五角星形致動器的照片。b)白熾燈照射下五角星形致動器的熱像圖。c)集成有LIG標簽的葉片致動器的旋轉運動。d)從(cong) 相對應的視頻中提取的葉子致動器旋轉的運動軌跡圖。

此外，憑借PI膠帶具有很好的柔性，結合折紙思維，LIG膠帶可以被折疊成3D光熱Marangoni致動器。如圖3所示，一係列根據在腳部所集成的LIG位置的仿生3D折紙青蛙在太陽光的照射下分別產(chan) 生了直行，向左旋轉和向右旋轉運動。

圖3.a)3D仿生青蛙的折紙模板、集成兩(liang) 條LIG腿的致動器的光學照片和熱成像圖像。b)在聚焦陽光照射下的青蛙致動器的直線性運動的視頻截圖。c)從(cong) 相對應的視頻中提取的運動軌跡圖。

（3D折紙仿生青蛙致動器向左旋轉的GIF）

值得一提的是基於(yu) LIG膠帶的光熱Marangoni致動器具有非常優(you) 異的生物相容性，這一點已被人類乳腺癌細胞MDA-MB-231的培養(yang) 增殖實驗所證實。如圖4a-g所示該類型細胞可以在LIG集成化的Marangoni致動器表麵成功存活並且進行了繁殖。LIG集成化的PDMS十字形和矩形致動器的運動證實了細胞的存在不會(hui) 妨礙對在培養(yang) 基中的致動器的運動操控，在陽光和白熾燈的照射下均可實現光能和機械能的轉換（圖4h-m）。作為(wei) 粘貼式光熱標簽，LIG膠帶可集成化的功能為(wei) 基於(yu) Marangoni效應開發致動器和機器人開辟了一條新的途徑，這一研究策略在微流體(ti) 和生物醫學工程中顯示出了的巨大應用潛力。

圖4.分別在LIG致動器上培養(yang) a)24小時和b)48小時的MDA-MB-231細胞的熒光顯微鏡圖像。c)LIG和PI膠帶連接處細胞數量的熒光顯微鏡圖像。d-e)白熾燈照射前後細胞形態的熒光顯微鏡圖像。f)連續光照下細胞形態的熒光顯微鏡圖像。g)附著在LIG表麵的單個(ge) 細胞的掃描電鏡圖像。h)十字形集成致動器和I)矩形集成致動器的光學照片。j)十字形集成致動器的旋轉運動的視頻截圖。l)從(cong) 相應的視頻中提取的對應運動軌跡圖。k)矩形集成致動器的旋轉運動視頻截圖。m)從(cong) 相應視頻中提取的對應運動軌跡圖。