近些年，刺激响应自驱动材料在智能机器人、微电子、环境工程及生物医药等领域具有良好的应用前景，因而引起了人们的广泛关注。然而，文献中报道的许多自驱动材料存在移动速度慢、响应时间长、制备工艺复杂及环境适用性差等问题，这些缺点限制了自驱动材料的实际应用。此前，朱英杰团队采用聚多巴胺和油胺对羟基磷灰石超长纳米线进行表面修饰，成功地制备出具有超疏水性和光热转换性能的基于羟基磷灰石超长纳米线的自驱动纸，通过光热转换可触发Marangoni效应，从而实现了自驱动纸在水面上的可控快速移动 （ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2019, 7, 13226-13235）。

  最近，朱英杰团队在前期研究工作的基础上，通过合理的结构设计及优化，在羟基磷灰石超长纳米线耐火纸中引入三氧化二钛颗粒和聚二甲基硅氧烷， 成功地构建出具有高柔韧性、超疏水性、光热转换性、耐高温性的新型多功能自驱动耐火纸，克服了基于Marangoni效应的自驱动材料在表面活性剂溶液中失效的缺点，在智能机器人、电子信息、环境工程及生物医学等领域具有良好的应用前景。新型多功能自驱动耐火纸的超疏水性能使纸张能够自发地漂浮在水面上，并在水面及纸张之间形成气泡层，可显著减小纸张移动时的阻力。在光照条件下，新型多功能自驱动耐火纸的光热转换性能使纸张能够将光能转换为热能，从而实现Marangoni效应及水蒸汽辅助的双模式自驱动。新型多功能自驱动耐火纸的耐高温不燃烧性能则确保了纸张在高温条件下的热稳定性，从而使纸张实现水蒸汽辅助驱动成为可能。

图1. （a）光驱动下新型多功能自驱动耐火纸的双模式自驱动运动。（b-d）新型多功能自驱动耐火纸具有良好的柔韧性及可加工性。（e）新型多功能自驱动耐火纸浸泡于水中时纸张表面和水表面之间形成气泡层。（f）大尺寸的新型多功能自驱动耐火纸。

图2. （a，b）新型多功能自驱动耐火纸具有良好的光吸收性及光热转换性能。（c）在光照条件下新型多功能自驱动耐火纸（i）和纯羟基磷灰石超长纳米线耐火纸（ii）的红外热成像图。（d）新型多功能自驱动耐火纸的光热转换的循环稳定性测试。

  在一般水溶液条件中，新型多功能自驱动耐火纸的光热转换性能将光能转换为热能，从而使得周围水面产生表面张力梯度触发Marangoni效应，实现纸张在水面上的移动。而在含有表面活性剂的溶液中，基于Marangoni的驱动模式失效；在该条件下，通过提高照射到新型多功能自驱动耐火纸上的光功率密度，其驱动模式可自动由Marangoni驱动模式转换到水蒸汽辅助驱动模式。在高光功率密度光源的照射下，新型多功能自驱动耐火纸产生局部的高温可将周围液面的水转变为水蒸汽，从而借助于水蒸汽的喷射产生自驱动运动。此外，由于新型多功能自驱动耐火纸的超疏水性，纸张还能在一些极端条件下实现可控自驱动运动，例如双模式自驱动耐火纸能够实现在酸、碱和盐溶液下的自驱动运动。

图3. （a）新型多功能自驱动耐火纸的水接触角测试，具有超疏水性能。（b）新型多功能自驱动耐火纸的超疏水性在酸和碱溶液中的稳定性测试。（c）羟基磷灰石超长纳米线、Ti₂O₃及新型多功能自驱动耐火纸的热重分析曲线。（d）新型多功能自驱动耐火纸的超疏水性在不同温度条件下具有高稳定性。（e）新型多功能自驱动耐火纸在酒精灯火焰中加热的数码照片，具有良好的耐高温和耐火性能。（f）以植物纤维替代羟基磷灰石超长纳米线制备的对照样品在酒精灯火焰中加热的数码照片，在火焰上发生明显的燃烧现象。（g） 新型多功能自驱动耐火纸（i）及以植物纤维替代羟基磷灰石超长纳米线制备的对照样品（ii）在酒精灯火焰中加热后的数码照片。

图4. （a）新型多功能自驱动耐火纸的双模式驱动示意图。（b）新型多功能自驱动耐火纸在不同运动方向上的移动路径图。（c）新型多功能自驱动耐火纸在不同光功率密度下的响应时间及移动速率。（d）新型多功能自驱动耐火纸在表面活性剂水溶液中移动的数码照片。（e）新型多功能自驱动耐火纸在含有不同浓度的表面活性剂水溶液中的移动速率。（f和g）新型多功能自驱动耐火纸在酸、碱及盐溶液中的移动距离及移动速率。

图5. 近红外激光辐照触发的新型多功能自驱动耐火纸的各种可控的方向性运动。（a）具有箭头形状的新型多功能自驱动耐火纸。（b）沿预定路径移动的箭头形新型多功能自驱动耐火纸的移动路径。（c, e） 具有十字形状的新型多功能自驱动耐火纸的定向运动示意图。（d）具有十字形状的新型多功能自驱动耐火纸按照顺时针方向做定向旋转运动。（f）具有十字形状的新型多功能自驱动耐火纸按照逆时针方向做定向旋转运动。

  相关研究工作以“Light-Operated Dual-Mode Propulsion at the Liquid/Air Interface Using Flexible, Superhydrophobic, and Thermally Stable Photothermal Paper”为题发表在国际重要学术期刊ACS Applied Materials & Interfaces。该论文的第一作者为博士研究生杨日龙，通讯作者为朱英杰研究员及熊志超副研究员。

  论文链接：

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b18494

  https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acssuschemeng.9b02488