湯建新 蔡天驕 朱雪榮 湯 力 張繼德 杜 次 伍文英 王 武

湖南工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院 湖南 株洲 412007

過渡金屬碳/氮化物（MXene）作為一類新興的2D材料，由過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物組成。其通式為Mn+1XnTx（其中“M”表示過渡金屬，“X”表示C或N元素，“Tx”表示表面終止基團(tuán)（如—O、—F和—OH），n=1, 2, 3）。Ti3C2TxMXene最初是通過蝕刻Ti3AlC2中Al原子層獲得的。在剝落層的外表面上，通常存在蝕刻過程中產(chǎn)生的—O、—F和—OH等官能團(tuán)[1-2]，且不受控于反應(yīng)[3]。因此，MXene具有許多優(yōu)異的性能，例如表面官能團(tuán)的親水性、光熱響應(yīng)性能、良好的導(dǎo)電性、機(jī)械柔韌性、易于功能化等。

MXene基驅(qū)動器是由MXene材料制備的具有刺激響應(yīng)能力的智能結(jié)構(gòu)[4-5]，可以在外界刺激（電場、磁場、熱、光、pH、壓力等）下發(fā)生體積、顏色的變化[6]，甚至產(chǎn)生可彎曲的3D形狀變化[7]。MXene基驅(qū)動器的研究更多集中在電活性、光熱和濕度敏感等方面[8-11]。不同類型的驅(qū)動器，其響應(yīng)機(jī)制不同。例如，離子電活性軟驅(qū)動器是離子根據(jù)外部電場的重排而產(chǎn)生彎曲形變[12]。光驅(qū)動器可以由多種機(jī)制產(chǎn)生變形，包括熱膨脹/收縮、分子構(gòu)型的變化[13]等。因此，本文首先介紹了MXene不同的合成方法，然后概括了MXene基驅(qū)動器的制備方法及驅(qū)動機(jī)理，最后討論了MXene基驅(qū)動器的應(yīng)用現(xiàn)狀和潛在應(yīng)用，并對MXene基驅(qū)動器在軟機(jī)器人、智能傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

1 MXene的制備

氫氟酸（hydrofluoric acid，HF）是最早用于制備MXene的蝕刻劑。HF蝕刻也是使用最廣泛的方法，既能保持MAX相（MAX相的通用分子式為Mn+1AXn（n=1, 2, 3），其中M代表過渡金屬，A代表Ⅲ、Ⅳ主族元素，X代表C或N元素）的2D結(jié)構(gòu)，又能去除A層。HF溶液與Ti3AlC2的反應(yīng)[14]包括：

HF腐蝕性太強(qiáng)，在實(shí)驗(yàn)過程中會對人體和環(huán)境產(chǎn)生危害，且蝕刻方法及其制備的MXene性能還不夠理想。因此，許多科研工作者開始嘗試用其他物質(zhì)來代替HF。2014年，M. Ghidiu等[15]發(fā)現(xiàn)LiF和HCl反應(yīng)比HF更溫和、更安全，并且通過LiF+HCl成功刻蝕Ti3AlC2制備出Ti3C2MXene。A.Lipatov等[16]報道了一種改進(jìn)的合成方法，生產(chǎn)了高質(zhì)量的單層Ti3C2Tx薄片。LiF與MAX的摩爾比從5:1增加到 7.5:1后，能提供過量的Li+離子用于嵌入MXene，同時HCl與LiF比率的增加也促進(jìn)了Al的蝕刻。改進(jìn)后產(chǎn)生的Ti3C2Tx薄片質(zhì)量明顯更高，尺寸更大。這個方法雖然避免了直接使用HF帶來的危險，但HCl和LiF反應(yīng)會釋放一定量的HF氣體，對環(huán)境造成危害，且存在飛濺或傾倒液體的風(fēng)險。隨后，研究者發(fā)現(xiàn)一些熔融鹽在高溫下可以和MAX相反應(yīng)來制備MXene。P. Urbankowski等[17]使用熔融氟化鹽從Ti4AlN3前驅(qū)體中蝕刻Al，成功制備了Ti4N3TxMXene。結(jié)果表明，得到的Ti4N3TxMXene的晶型結(jié)構(gòu)不如HF刻蝕的MXene（如Ti3C2Tx）。此外，Ma G. L.等[18]用氧化鋁、鈦粉和石墨粉與氯化物通過熔融鹽法得到MAX（Ti3AlC2），然后添加CuCl2到MAX中原位刻蝕得到MXene，實(shí)現(xiàn)從MAX到MXene的一步合成。雖然此方法簡便快速、成本低，并且反應(yīng)介質(zhì)為熔融鹽，制備過程中避免了MXene的氧化，制備效率得到了提高，但通用性較差。Wu J.B.等[19]開發(fā)了一種無水離子熱合成Ti3C2TxMXene法，在低成本氯化膽堿和草酸基溶劑中蝕刻原始Ti3AlC2MAX，并在NH4F的存在下制備Ti3C2Tx。Ti3C2Tx具有高達(dá)98%的純度。該方法在室溫下操作固體前體和產(chǎn)物材料，因而比較安全和方便。

蝕刻通常使用水熱工藝，在高溫高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行。蝕刻溫度高于100 ℃有利于MXene的合成。2016年，Wang L. B.等[20]利用水熱法制備了Ti3C2TxMXene。以NH4F溶液作為蝕刻液，在烘箱中150℃加熱24 h，然后在室溫中冷卻即可制成高純度的Ti3C2TxMXene。然而，酸蝕刻制備Ti3C2TxMXene通常超過了10 h。針對制作時間長、反應(yīng)溫度高，Liu F. F.等[21]報道了快速制備Ti3C2TxMXene的方法，通過調(diào)整蝕刻時間和溫度，優(yōu)化工藝條件（50 ℃、40% HF）蝕刻Ti3AlC2粉末僅0.5 h，成功得到了具有分散的手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)的Ti3C2TxMXene。Ti3C2Tx在空氣中300 ℃下以及在真空中800 ℃下均能保持穩(wěn)定，且Ti3C2TxMXene具有電磁干擾屏蔽效果。

限制MXene進(jìn)一步研究和商業(yè)應(yīng)用的主要因素之一是其在水溶液中儲存時易氧化。針對此問題，研究者在Ti3AlC2MAX相的合成過程中加入過量的鋁，以改善Ti3AlC2晶粒的結(jié)晶度和碳化學(xué)計(jì)量，得到Al-Ti3AlC2[22]，再由這種前體生產(chǎn)質(zhì)量更高的MXene納米片（Al-Ti3AlC2），如圖1所示。Al-Ti3AlC2薄片的水懸浮液保質(zhì)期超過了10個月，說明該合成方法有顯著的改善效果，有望得到廣泛使用?？傊?，在眾多科研工作者的不斷努力下，Ti3C2Tx取得了許多突破性進(jìn)展，成為了MXene家族的主力軍。

2 Ti3C2Tx MXene基驅(qū)動器的制備及驅(qū)動機(jī)理

2.1 光熱響應(yīng)型驅(qū)動器

驅(qū)動器是一種將輸入能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，輸入能量可以是熱、光、電場等。最常見的驅(qū)動器是光熱響應(yīng)型驅(qū)動器。MXene良好的電導(dǎo)率[23]和高效的光熱轉(zhuǎn)換率[24]有利于實(shí)現(xiàn)電能和光能轉(zhuǎn)化為熱能，因此可以得到對電、熱、光等多種刺激響應(yīng)的驅(qū)動器。Liu W.等[25]使用較簡單的澆鑄法制造了含有MXene和低密度聚乙烯（low density polyethylene，LDPE）復(fù)合材料的雙層驅(qū)動器，如圖2所示。LDPE具有非常高的熱膨脹系數(shù)（coefficient of thermal expansion，CTE）和較低的導(dǎo)熱系數(shù)。相反，MXene的CTE較低，導(dǎo)熱率高。因此，這兩種材料在熱性能上的差異有利于驅(qū)動器的制備。

圖2 MXene/LDPE雙層驅(qū)動器的工作原理和制作工藝Fig. 2 Working mechanism and schematic fabrication process of MXene/LDPE bilayer actuator

Cai G. F.等[26]以Ti3C2Tx-纖維素復(fù)合材料作為活性層、多孔聚碳酸酯（polycarbonate，PC）膜作為惰性層，得到Ti3C2Tx-纖維素/PC驅(qū)動器?；钚訲i3C2Tx-纖維素層作為加熱器，溫度升高時水分子膨脹或解吸，導(dǎo)致復(fù)合層的體積收縮，而高溫下PC膜的體積膨脹，最終兩層之間的尺寸差異使Ti3C2Tx-纖維素/PC膜彎曲變形產(chǎn)生驅(qū)動。

水凝膠是一種具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的柔性復(fù)合材料。水凝膠驅(qū)動器具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并能對特定的環(huán)境刺激作出響應(yīng)，是構(gòu)建軟驅(qū)動器和柔性機(jī)器人的理想候選材料。Ge G.等[27]通過調(diào)整MXene與聚合物之間的動態(tài)相互作用，制備了一種光熱驅(qū)動器。此驅(qū)動器是用聚丙烯酸和聚乙烯醇-MXene水凝膠分別作為驅(qū)動層和被動層。在近紅外（near infrared，NIR）照明5 s后，驅(qū)動器的高度在0.585～0.769 mm之間變化，曲率在1.710～2.063 mm-1之間變化。這種驅(qū)動歸因于驅(qū)動層和被動層之間的非均勻光熱容。Xue P.等[28]報道了可編程的NIR驅(qū)動各向異性水凝膠驅(qū)動器，通過聚異丙基丙烯酰胺（poly(nisopropylacrylamide)，PNIPAM）水凝膠與MXene納米單體的原位自由基共聚，利用電場誘導(dǎo)MXene納米片沿其方向上呈現(xiàn)一定的濃度梯度分布。由于靠近陽極一側(cè)的交聯(lián)密度較高，PNIPAM鏈的動力學(xué)受到很大限制。因此，在NIR照射下，水凝膠失水會導(dǎo)致靠近陰極區(qū)域的PNIPAM鏈產(chǎn)生更大的收縮，從而產(chǎn)生向陰極側(cè)的彎曲變形。而MXene的加入可以使溫度變化更明顯，增強(qiáng)水凝膠的驅(qū)動性能。圖3中，藍(lán)色部分不施加電場，而黃色和粉色部分分別施加正電場和負(fù)電場。如圖3a～d所示，當(dāng)電場只施加到水凝膠的中間部分時，得到了可逆的U型；當(dāng)電場施加到一半時，形成了J型。S型和Ω型的水凝膠驅(qū)動器也可以通過在電場方向上應(yīng)用不同的電極和切換來實(shí)現(xiàn)。如圖3e～f所示，水凝膠驅(qū)動器在NIR照射下可執(zhí)行不同的光機(jī)械功能，包括抓取、提升、放下和釋放物體，且在水中表現(xiàn)出可逆的開啟和關(guān)閉作用。

圖3 可編程的各向異性水凝膠驅(qū)動器的NIR驅(qū)動變形Fig. 3 NIR-driven shape-morphing of programmable MXene containing anisotropic hydrogel actuators

彩圖

此外，Xue P.等[29]還將表面功能化的MXene（K-MXene）/ PEDOT：PSS墨水與PNIPAM水凝膠原位共聚，設(shè)計(jì)了一種均勻的導(dǎo)電水凝膠。PEDOT與K-MXene之間強(qiáng)烈的π堆疊作用以及PEDOT鏈從苯結(jié)構(gòu)向醌結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，可以形成高導(dǎo)電率水凝膠。將導(dǎo)電水凝膠與彩色聚合物結(jié)合可感知形狀變形，即彩色聚合物作為被動層，導(dǎo)電水凝膠作為主動層，在NIR照射下主導(dǎo)形狀變化[30-31]。如圖4所示，先將結(jié)構(gòu)上彩色的聚合物薄膜激光切割成適當(dāng)?shù)臈l紋，然后將導(dǎo)電水凝膠原位聚合到有圖案的條紋上。在808 nm NIR照射下，不同方向條紋的水凝膠驅(qū)動器可以分別卷成環(huán)、筒和螺旋等形狀。

圖4 水凝膠驅(qū)動器的光驅(qū)動示意圖Fig. 4 Schematic diagram of optical drive of hydrogel driver

由于傳遞信息和躲避捕食者的需要，蝴蝶的翅膀會改變顏色。受此啟發(fā)，Li M. Z.等[32]制造了一種高效的光熱響應(yīng)MXene-水凝膠肌肉，將翅膀和身體之間的關(guān)節(jié)與MXene-pDADMAC軟驅(qū)動器集成形成肌肉結(jié)構(gòu)，制作了一只人工蝴蝶。蝴蝶的翅膀是由一個緊密排列的聚苯乙烯微球組成，聚苯乙烯微球呈長程排列，并通過界面自組裝的方法沉積在一個高亮度的不銹鋼板上，隨著觀看角度的變化表現(xiàn)出不同的顏色。圖5顯示了MXene-pDADMAC操縱蝴蝶翅膀拍打的機(jī)理。首先，pDADMAC是一種陽離子聚電解質(zhì)，可以提供親水位點(diǎn)，因而對熱和濕度都有反應(yīng)。其次，MXene可以快速將光能轉(zhuǎn)化為熱量，在pDADMAC中引入MXene可以促進(jìn)肌肉收縮。在熱條件下，水的解吸導(dǎo)致MXene-pDADMAC垂直坍塌和橫向收縮，誘導(dǎo)PhC片的快速提升。在NIR照射下，隨著人工蝴蝶的翅膀從15.1°上升到50.8°，其翅膀的顏色從紫色變成了紅色。Yang M. Y.等[33]制備了一種MXene-LCE（liquid crystalline elastomer）軟管驅(qū)動器。MXene納米單體與LCE基質(zhì)具有較高的相容性，可以原位光聚合成聚合物網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)了LCE軟管驅(qū)動器的力學(xué)性能。獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)使MXene-LCE軟管驅(qū)動器延緩了徑向的熱傳導(dǎo)，此外，光照的正面和陰影的背面產(chǎn)生了較大的溫差，從而使其具有快速的光響應(yīng)特性。因此，NIR誘導(dǎo)的局部收縮導(dǎo)致MXene-LCE軟管驅(qū)動器的機(jī)械彎曲。如圖6所示，MXene-LCE軟管驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)了像植物莖一樣的自適應(yīng)趨光性。

圖5 人造蝴蝶翅膀拍打原理示意圖Fig. 5 Schematic diagram of flapping principle of artificial butterfly wings

彩圖

2.2 離子響應(yīng)型驅(qū)動器

離子響應(yīng)型驅(qū)動器的響應(yīng)機(jī)理是在外部電場的影響下復(fù)合材料體系中離子遷移導(dǎo)致彎曲變形。該驅(qū)動器是由夾在兩個柔性電極之間的電解質(zhì)膜組成，電解質(zhì)膜中含有不同大小的可移動的陽離子和陰離子。在電極上施加電位使離子液體分離電解質(zhì)膜中的陽離子和陰離子，并使移動的離子向相反的電極移動。由于陽離子通常比陰離子大，離子分離導(dǎo)致厚度的不對稱和體積變化，使驅(qū)動器彎曲。

電極需要在反復(fù)彎曲變形過程中保持高導(dǎo)電性，這要求離子響應(yīng)型驅(qū)動器具有較好的力學(xué)性能，如柔韌性和可拉伸性。通常利用碳基材料與導(dǎo)電聚合物如PEDOT：PSS[34]或聚苯胺混合，作為一種高度柔性的導(dǎo)電基體[35]。S. Umrao等[36]提出了一種新的離子響應(yīng)型驅(qū)動器。通過超聲處理，將Ti3C2Tx插入水和二甲基甲酰胺的混合溶劑中，將得到的Ti3C2Tx懸浮液直接與分散在水中的PEDOT：PSS混合，形成復(fù)合電極前驅(qū)體。然后，將復(fù)合電極前驅(qū)體滴鑄在Nafion/EMImBF4電解質(zhì)膜上，形成一個驅(qū)動器。由高度靈活基體PEDOT：PSS制得的復(fù)合電極比純MXene制備的復(fù)合電極表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能。原始的Ti3C2Tx電極在彎曲變形時非常脆弱，容易從電解質(zhì)膜上剝離，而Ti3C2Tx/ PEDOT：PSS電極更加靈活，即使在高彎曲水平下也能與電解質(zhì)膜保持完美的黏合。Pang D.等[37]報道了基于Ti3C2Tx的電化學(xué)驅(qū)動器，該驅(qū)動器包括雙層和三層結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)都是由Ti3C2Tx柔性獨(dú)立膜通過真空過濾MXene懸浮液制備。在雙層結(jié)構(gòu)中，一個Ti3C2TxMXene膠片附在膠帶上。如圖7所示，將驅(qū)動器浸入1 mol/L硫酸溶液中，通過三電極配置-0.8～+0.2 V和+0.2 V的銀絲來測試性能。在電化學(xué)過程的充放電循環(huán)中，硫酸電解質(zhì)容易發(fā)生可逆氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生質(zhì)子H+，質(zhì)子的插入/脫插入改變了MXene結(jié)構(gòu)的層間間距，使MXene條帶變形。

2.3 濕度響應(yīng)型驅(qū)動器

濕度響應(yīng)型驅(qū)動器的基本原理是隨相對濕度的變化而改變形狀。濕活性部分根據(jù)周圍的含水量，通過物理吸附水分子，使體積發(fā)生變化，進(jìn)而改變其物理外觀；惰性部分產(chǎn)生層之間的界面應(yīng)力，導(dǎo)致彎曲變形[38]。MXene由于其豐富的極性官能團(tuán)和MXene納米片之間極大的自由間距，作為濕度響應(yīng)驅(qū)動器的活性部分具有巨大的潛力。Cai G. F.等[25]開發(fā)的MXCC/PC雙層結(jié)構(gòu)驅(qū)動器（見圖8），不僅能被電、光驅(qū)動，還能被濕度驅(qū)動。該雙層驅(qū)動器使用吸濕性Ti3C2Tx-纖維素復(fù)合材料作為活性層，使用PC膜作為惰性部分。其中，纖維素由于富含羥基而用于提高Ti3C2Tx對濕度的敏感性。在PC膜上過濾沉積了一層Ti3C2Tx-纖維素復(fù)合材料，Ti3C2Tx-纖維素復(fù)合材料與PC膜之間吸濕性的差異引起了不平衡的體積變化，從而導(dǎo)致驅(qū)動器彎曲。Zhang Y. L.等[39]報道了一種將Ti3C2Tx濕度驅(qū)動器與金屬網(wǎng)結(jié)合的方法。該驅(qū)動器隨著濕度的增加而逐漸彎曲，具有快速響應(yīng)性和良好的穩(wěn)定性。許多材料可以取代纖維素作為共吸收劑，而Ti3C2Tx也可以用其他MXene來代替，因此，驅(qū)動性能有望進(jìn)一步提高。

圖8 MXCC/PC雙層結(jié)構(gòu)驅(qū)動器的多響應(yīng)能力Fig. 8 Multiresponsiveness capabilities of MXCC/PC bilayer-structured actuator

2.4 其他響應(yīng)型驅(qū)動器

研究者發(fā)現(xiàn)MXene在外部壓力下會改變層間距。基于此，Ma Y. N.等[40]制作了一種基于Ti3C2MXene的柔性壓電傳感器。原位透射電子顯微鏡結(jié)果表明，壓力下層間距變化巨大。該傳感器顯示出較高的機(jī)械可逆性（超過4000次）和快速響應(yīng)（＜30 ms），還可以監(jiān)測和區(qū)分細(xì)微的人類活動，如吞咽、咳嗽、關(guān)節(jié)彎曲等。此外，P. Sambyal等[41]報道了一種基于釹和鐵雙金屬有機(jī)框架（NdFeMOFs@700）的磁、電雙響應(yīng)軟驅(qū)動器。圖9展示了該軟驅(qū)動器在電刺激和磁刺激下的驅(qū)動效果。軟驅(qū)動器采用NdFeMOFs@700和PEDOT-PSS制造，與基于脈沖的驅(qū)動器相比，其電荷存儲容量提高了4.5倍，具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。然而，目前關(guān)于MXene基磁響應(yīng)型驅(qū)動器的報道不多，在之后的研究中可以進(jìn)一步考慮MXene磁響應(yīng)性能。

圖9 NdFeMOFs@700-PP軟驅(qū)動器在電刺激和磁刺激驅(qū)動機(jī)制下的工作原理示意圖Fig. 9 Schematic demonstration of working principle of NdFeMOFs@700-PP electrode based soft actuator under electric stimuli and magnetic stimuli actuation mechanism

3 Ti3C2Tx MXene基驅(qū)動器的應(yīng)用

為了擴(kuò)大環(huán)境的適應(yīng)性，人們需要制造諸如電、NIR和紫外光（ultraviolet，UV）等具有多種刺激響應(yīng)的驅(qū)動器。Chen G. N.等[42]制備的AgNWs/Ti3C2TxMXene熱驅(qū)動器可以對電、NIR和UV等多種類型的刺激做出響應(yīng)。其原因是AgNWs的高導(dǎo)電率、MXene優(yōu)異的光熱性能、MXene/AgNW層與LLDPE層的CTE的巨大差異，特別是AgNWs與MXene之間的等離子體協(xié)同效應(yīng)。因此，該驅(qū)動器可以在低驅(qū)動電壓下滾動2200°，NIR下彎曲360°，在UV下1.2 s內(nèi)彎曲360°。此外，熱驅(qū)動器可通過添加熒光材料在UV下彎曲時發(fā)光。同樣，Liu W. J.等[43]也利用兩種材料之間CTE不匹配的原理制備了一種在LDPE薄膜上響應(yīng)電壓、熱和光的驅(qū)動器。此驅(qū)動器可以像自然捕蠅器一樣感知溫差和捕捉物體；可以像行走機(jī)器人一樣運(yùn)行，速度高達(dá)16.52 mm/min；還可以作為開關(guān)，集成到電路中，用于一些需要非接觸式開關(guān)的極端場合。Xu L. L.等[44]設(shè)計(jì)了一種基于MXene和PDMS交聯(lián)的雙晶驅(qū)動器。該驅(qū)動器可以在熱、光、電、正己烷蒸汽等各種刺激下實(shí)現(xiàn)大的可逆驅(qū)動變形。除了變形外，它還具有自傳感功能，可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動行為的實(shí)時反饋，即根據(jù)驅(qū)動過程中MXene層的相對電阻變化來監(jiān)測觸摸感知情況。如圖10所示，利用MXene/PDMS雙晶驅(qū)動器模擬了生物體的一系列生物行為，如跳躍、爬行和自振蕩等行為。Tang Z. H.等[45]開發(fā)了一種電響應(yīng)和光響應(yīng)的Ti3C2TxMXene薄膜基柔性BMB驅(qū)動器。在電熱和光熱刺激下，通過吸收/解吸水分子，使疏水BOPP層膨脹/收縮和親水BC層收縮/膨脹，這兩層同時為驅(qū)動器的驅(qū)動行為提供驅(qū)動力?？梢杂^察到，驅(qū)動器在電熱刺激下或者暴露在NIR下時，發(fā)生快速彎曲運(yùn)動。驅(qū)動器展示出包括強(qiáng)人工臂、雙指夾具、蠕蟲機(jī)器人和仿生含羞草等不同的應(yīng)用。

圖10 MXene/PDMS雙晶驅(qū)動器的跳躍運(yùn)動和自振蕩Fig. 10 Jumping motion and self-oscillation of MXene/PDMS dual-chip driver

此外，Li P. D.等[46]報道的MCPM軟驅(qū)動器可以將濕度的變化轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和電能，實(shí)現(xiàn)實(shí)時感知濕度和運(yùn)動模式。MCPM驅(qū)動器一旦接觸到人體皮膚，就會立即卷起，然而，同樣的薄膜卻可以平放在戴手套的手上或在一個充滿水分的封閉空間中保持平坦，這表明導(dǎo)致薄膜滾動的原因是濕度梯度，而不是濕度本身。在濕度條件下，用不透水的PET密封MCPM的一側(cè)（MCPM/PET驅(qū)動器），產(chǎn)生了從水合表面到附近干燥器底層的定向濕度梯度。因此，沿MCPM法向方向的梯度膨脹會引起不對稱的膨脹應(yīng)力，使MCPM/PET驅(qū)動器向PET側(cè)彎曲。此外，將一根手指靠近MCPM/PET驅(qū)動器，也能立即產(chǎn)生40～80 mV的可分辨高壓。這證明MCPM/PET驅(qū)動器在非接觸的人機(jī)通信和高精度控制方面都很有應(yīng)用前景。帶有MCPM/PET驅(qū)動器的呼吸監(jiān)測器口罩可以在高響應(yīng)電壓（＞0.1 V）下監(jiān)測人體呼吸時水分的變化，通過可區(qū)分的電壓變化清楚地識別人類的正常和深呼吸模式。這表明該驅(qū)動器在敏感傳感器中也顯示出了潛力。Hu Y.等[47]設(shè)計(jì)了一種基于MXene的放大、非對稱微觀結(jié)構(gòu)的雙晶驅(qū)動器。此驅(qū)動器是通過將偶聯(lián)劑IPTS插入到MXene納米片中來獲得。它對自然光具有超高響應(yīng)，日照強(qiáng)度變化可以引起其連續(xù)彎曲變形。用其構(gòu)造的蠕蟲軟機(jī)器人能在沒有人工能量和控制的情況下自主定向運(yùn)動，還可以運(yùn)輸一個物體在野生環(huán)境中爬行，如圖11所示。此外，用驅(qū)動器構(gòu)建了舉重物體的軟手臂，以及能改變面部表情和身體動作的“熊貓”機(jī)器人。自然光下，“熊貓”機(jī)器人能從沮喪和蜷縮狀態(tài)變換到快樂跳舞狀態(tài)?？傊琈Xene基驅(qū)動器的應(yīng)用主要集中在智能仿生機(jī)器人、敏感傳感器、非接觸的開關(guān)設(shè)備和智能設(shè)備等方面。

圖11 由人手控制的自然光驅(qū)動蠕蟲機(jī)器人模擬運(yùn)動Fig. 11 Simulated movement of natural sunlight-driven worms controlled by human hands

4 結(jié)語

迄今為止，大多數(shù)MXene基驅(qū)動器是采用簡單的純MXene薄膜或直接從液體前驅(qū)體鑄造而成。通過對MXene結(jié)構(gòu)的巧妙調(diào)控，可以設(shè)計(jì)不同形狀的驅(qū)動器，從而實(shí)現(xiàn)更為優(yōu)異的性能。與此同時，鑒于大多數(shù)驅(qū)動器采用雙層結(jié)構(gòu)，MXene與其它組分之間的界面相容性對提高其耐久性和實(shí)用性至關(guān)重要，這是實(shí)現(xiàn)其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。為了更廣泛地推動MXene基驅(qū)動器的應(yīng)用，亟需改進(jìn)MXene的合成、操作及其穩(wěn)定性。盡管已成功合成了超過40種MXene，但除Ti3C2Tx外其他 MXene容易受氧化的影響，因而目前大部分應(yīng)用主要集中在Ti3C2Tx上。故未來的研究方向之一是著眼于解決MXene容易氧化的問題。一方面，采用先進(jìn)的防氧化技術(shù)、表面鈍化改性技術(shù)或者在合成和操作階段引入保護(hù)措施，制備高抗氧化MXene材料。另一方面，在確保MXene不受氧化影響的前提下展現(xiàn)其出色性能。這些努力將為MXene基驅(qū)動器的應(yīng)用打開新的前景，推動其在各種領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，包括但不限于電子、能源儲存和傳感領(lǐng)域。