2018自然科学基金面上项目-捕获环境能量的功能协同微发电机的研究
批准号        21875017        学科分类        ( B050502 )
负责人        石峰        职称                单位名称        北京化工大学
资助金额        65万元        项目类别        面上项目        起止年月        2019年01月01日 至 2022年12月31日

Chemical Society Reviews：基于共价交联的LbL多层膜的专题综述

传统的交替层状组装（LbL）技术主要利用构筑基元间的静电相互作用、氢键、配位键等弱超分子相互作用构筑多层膜，由于具有操作简便、可控性高、适用范围广等优点，广泛用于分离膜、传感器、药物控释、生物表面等领域。然而，弱超分子相互作用导致多层膜的稳定性不高，构筑基元间缺乏较为牢固的结合力，导致多层膜在较为严苛的条件下（如高离子强度、强酸、强碱、氧化还原剂等）会遭到破坏，从而限制了多层膜的进一步应用。针对这一问题，许多研究者致力于发展稳定聚台物多层膜的方法，其主要的思路是将层间-层内的弱相互作用转变为较为稳定的共价键作用，从而提高多层膜的稳定性。目前的主要研究方法可分为后处理策略制备共价交联多层膜和基于连续共价组装制备稳定的多层膜。

近日，北京化工大学的石峰教授和中国地质大学（北京）的安琪副教授合作，在化学领域权威期刊Chemical Society Reviews在线发表了题为“Covalent layer-by-layer films: chemistry, design, and multidisciplinary applications”的综述文章，文中对基于共价作用的多层膜的发展历史、现状及应用前景做出了全面详实的总结，并对其未来的发展方向和面临的挑战进行了深入的思考和前瞻性展望。

论文首先对交替层状自组装（LbL）的发展历史进行了简要的回顾，系统总结了通过化学策略实现共价组装多层膜的制备，解析并对比了与传统非共价组装多层膜相比的优、缺点；然后分小节详细地介绍了后处理策略制备共价交联多层膜和基于连续共价组装制备多层膜的方法及两者之间的差异。在后处理策略制备共价交联多层膜方面，首先，构筑基元之间通过非共价相互作用层层组装成多层膜；其次，在一定的反应条件下（如紫外光辐照、加热等）引发基团间的反应，从而将多层膜交联起来，以此实现稳定多层膜的制备。在连续共价组装制备稳定多层膜方面，每个双层构筑基元之间依赖于特定的反应基团，在一定的反应条件下实现共价组装，从而制备稳定的多层膜。这些研究工作在制备稳定的层状组装膜方面取得了一些进展，为推进交替层状组装技术的产业化做出了突出贡献。在此基础上，稳定性多层膜的应用价值在更大范围内得以体现。例如，在生物材料领域，生物活性分子能够在超分子作用下通过交替层状组装形成多层膜而固定在材料表面，从而有效改善材料表面的生物相容性。通过进一步调控多层膜的组装基元和成膜条件，具有抗血栓、抗菌、促进细胞粘附等生物应用功能的多层膜也得到了广泛的研宄。在药物控制释放方面，多层膜体系能够作为药物载体，实现对模型药物分子的负载和控制释放，主要基于两方面的原因，其一是交替层状组装得到的多层膜从微观结构的层面可以等效为一种薄膜凝胶，药物分子通过超分子作用逐层负载在层间，然后在适当的洗脱溶液中释放出来；其二是利用交替层状组装构筑基元多样化的特点，将药物载体分子作为组装基元引入到多层膜中，进而将药物分子吸附到载体分子内部。最后，文章对共价交联的稳定多层膜当前面临的挑战和未来的发展，尤其是对如何通过化学交联方法和表征手段有效实现目标多层膜的制备、表征及特定应用等方面进行了分析和展望。

近年来，石峰教授课题组和安琪副教授以LbL为手段，将化学交联方法用于聚合物多层膜、聚合物/纳米粒子复合多层膜等多种多层膜体系的稳定化，并可用于制备表面分子印迹多层膜，探索了其在生物医用材料领域的应用潜能。如通过光交联反应实现稳定多层膜的制备（Langmuir, 2012, 28, 7096; J. Mater. Chem. B, 2015, 3, 562; J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 20357; J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 11329）；利用稳定的多层膜图案化表面化学组装导致的表面物理化学性质的差异，成功实现了小分子染料亚甲基蓝在图案化表面的选择性吸附（Adv. Mater., 2002, 14, 805）；通过PAH-Por复合物与PAA间的静电相互作用制备了PAH-Por／PAA多层膜，之后采用后渗透光化学交联的方法制备了以卟啉(Por)为模板分子的表面分子印迹多层膜（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, 5, 8308）；此外，还利用光交联技术制备具有生物相容性的稳定的聚电解质多层膜，并将其应用于细胞增殖（J. Mater. Chem. B.,2017, 5, 375）。

该论文作者为：Qi An, Tao Huang and Feng Shi

Covalent layer-by-layer films: chemistry, design, and multidisciplinary applications

Chem. Soc. Rev., 2018, 47, 5061, DOI: 10.1039/C7CS00406K

北京化工大学石峰教授AM：收集环境中的能量用于发电的光响应性功能协同智能器件

微传感器和微机电系统被广泛应用于可穿戴电子设备，超灵敏化学-生物传感器，纳米机器人等各个领域。这些小型的电子产品所需能量很小，现如今，电池仍然是首要选择。然而，电池有限的容量及使用寿命无法满足对持续供电的需求。功能协同智能器件，是将多种材料或表面集成到一个器件中，在外界的刺激下，能够有序地完成一系列复杂的任务。近年来，基于“功能协同智能器件”这一概念所制备的迷你发电机，将物体的往复运动与法拉第电磁感应定律相结合，实现了动能到电能的有效转换，为解决上述问题提供了一条新的途径。然而，当前设计出的迷你发电机依赖于过多的人工操作以及有用能源的消耗，如溶液酸碱性的调节、压力的施加/释放等，因此如何收集环境中未被广泛利用的能量，如光能、废热等等，并通过智能器件转换为电能，是目前所面临的挑战。

近日，北京化工大学石峰教授团队开发了一种光响应性的功能协同智能器件作为迷你发电机，可以直接收集环境中的太阳光用于器件自身的垂直运动，结合法拉第电磁感应定律实现了机械能向电能的转化，相关成果以“Electricity Generation through Light-Responsive Diving-Surfacing Locomotion of a Functionally Cooperating Smart Device”为题发表在国际顶级期刊Advanced Materials（IF=21.95）上。所制备的功能协同智能器件由三部分组成，上半部分是一个超亲水的方形盒子，用于束缚一定量的气体，下半部分是一个超疏水的圆柱体，一方面用于减少流体阻力，另一方面用于携带圆形小磁铁，磁铁用于产生磁场。当光照射到器件内部时，基于光热效应，器件内部束缚的气体开始膨胀，使器件密度逐渐减小，当小于水的密度时，开始上浮运动；脱离光源后，内部的气体开始收缩，器件密度逐渐增大至初始状态，开始下潜运动。器件往复的垂直运动会带动磁铁相对于铜线圈运动，改变磁通量，从而产生感应电压。研究人员探究了红外光功率对输出电能的影响，发现随着红外光功率的增大，输出电压以及发电效率都是增大的，且在4.2 W下，得到能量转换效率为2.4 × 10-3 %，输出电压可达到1.7 V，足以驱动5个LED小灯泡发光。进一步地，研究人员对器件的运动寿命进行了考查，发现器件可以在光照下持续运动8小时以上，且输出的电能保持稳定。该论文的共同第一作者为课题组硕士生杨潇和成梦娇副教授。