一种光热响应材料及用其制备光热驱动机器人的方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种光热响应材料及用其制备光热驱动机器人的方法及应用，属于光驱动器技术领域，具体地是在聚甲基丙烯酸甲酯薄膜上引入石墨烯氧化物和金纳米棒的复合物薄膜，将得到双层薄膜作为制备机器人的原材料薄膜，并利用商用的光盘光雕光驱对原材料薄膜上层的复合薄膜进行激光扫描改性，获得图案化的机器人结构；扫描时，激光对机器人结构中的光驱动器区域完成光还原，使得这些区域的复合薄膜同时获得高吸光度和高热导率，连同下层PMMA薄膜形成高效的光驱动器组件。在用光源照射机器人进行驱动时，由于还原后的光驱动器区域的复合薄膜的热膨胀系数远小于PMMA薄膜，使得光驱动器组件迅速向复合薄膜一侧弯曲，进而驱动机器人变形或运动。

Photo thermal response material and method for preparing photothermal driving robot using the same and application thereof

The invention discloses a photothermal response material, a method for preparing a photothermal driving robot and its application, belonging to the technical field of optical actuators, in particular to introduce a composite film of graphene oxide and gold nanorods onto a polymethylmethacrylate film, and to obtain a double-layer film as the raw material for preparing a robot. The composite film on the top of the raw material film was modified by laser scanning with commercial CD-ROM, and the patterned robot structure was obtained. Together with the lower PMMA film, an efficient optical driver assembly is formed. When the robot is driven by illuminating light source, the thermal expansion coefficient of the composite film in the reduced optical driver region is much smaller than that of the PMMA film, which makes the optical driver component bend rapidly to one side of the composite film, and then drives the robot to deform or move.

【技术实现步骤摘要】
一种光热响应材料及用其制备光热驱动机器人的方法及应用
本专利技术属于光驱动器
，具体涉及一种光热响应材料及利用光雕技术对该光响应材料还原的石墨烯氧化物和金纳米棒复合薄膜加工获得光热驱动机器人，并通过光热效应对机器人进行驱动。技术背景光驱动器是光驱动机器人的核心组件。多层结构型光驱动器作为其中一类典型代表，其基本驱动原理是利用光热效应引起材料膨胀或收缩；即将具有不同热膨胀系数的材料制备成多层结构，当材料发生光热响应后会向热膨胀系数较小的材料一侧弯曲，进而以材料形变产生的应力对机器人进行驱动，实现折叠、抓取、运动等驱动效果。据此，此类驱动器需用具有光热响应特性的材料进行制备，目前常用的有单壁碳纳米管、聚苯乙烯等光热材料。为了提高光驱动器的响应速率，需要同时提高材料的吸光度和热导率。目前，依赖单一材料已经无法满足这一需求。而为了精准控制和驱动机器人，还需要一种简单、高效的制备方法来准确实现机器人结构设计的图案化并集成光驱动器。基于上述分析，寻找满足上述条件的材料和方法，都是光驱动机器人技术面临的重要问题。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术要解决的技术问题是：提供一种利用光热响应材料制备机器人的制备方法。在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜上引入石墨烯氧化物和金纳米棒的复合物薄膜，将得到双层薄膜作为制备机器人的原材料薄膜，并利用商用的光盘光雕光驱对原材料薄膜的光驱动器区域进行激光扫描改性(即光雕还原)，获得图案化的机器人结构；扫描时，激光对光驱动器区域的上层复合薄膜进行光还原，使其同时获得高吸光度和高热导率，连同下层PMMA薄膜成为光热响应材料，可作为机器人的光驱动器组件。在用光源照射机器人进行驱动时，由于各个光驱动器的复合薄膜的热膨胀系数远小于PMMA薄膜，使得光驱动器组件迅速向复合薄膜一侧弯曲，进而驱动机器人变形或运动。一种光热响应材料，所述材料为双层薄膜型复合材料，一层为还原的石墨烯氧化物/金纳米棒复合物薄膜，另一层为聚合物薄膜；在受到激光照射时，该材料产生光热响应，并由于双层薄膜热膨胀系数的显著差别而发生弯曲。所述的还原的石墨烯氧化物/金纳米棒复合物薄膜中，还原的石墨烯氧化物与金纳米棒的质量比为3.25:1-8.12:1，膜厚为1-2μm；所述聚合物薄膜材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，膜厚为10-50μm。一种利用光热响应材料制备光热驱动机器人的方法，具体步骤如下：(1)光热响应材料前驱体的合成；取石墨烯氧化物溶液与金纳米棒溶液以10:1-20:1的体积比混合，搅拌转速为300-800r/min，搅拌时间为10-15min，得到石墨烯氧化物与金纳米棒复合纳米材料的溶液，其中，石墨烯氧化物溶液的浓度为4-8mg/mL，金纳米棒溶液的浓度为0.1-0.5mM；然后将复合纳米材料的溶液旋涂至PMMA薄膜上形成上层复合物薄膜，其中复合物薄膜的厚度为1-2μm，下层PMMA膜的厚度为10-50μm；并在50-70℃下烘5-6h，最终得到复合薄膜/PMMA的双层薄膜，即光热响应材料前驱体；其中，金纳米棒溶液中金纳米棒的径长比范围为0.25-1；(2)、光雕还原制备机器人；首先，将步骤(1)合成的双层薄膜通过静电吸附平整贴合到光雕平台上，并以胶带固定两端；然后，将设计好的机器人结构的图案化图片(jpg格式)导入光驱控制软件NeroStartSmartEssential中，利用激光按照导入的图案对双层薄膜的光驱动器区域进行扫描，完成光雕还原制备光热响应材料；最终，光雕完毕的双层薄膜为对应机器人结构的图案化薄膜；其中，薄膜上的图案化线条和区域为光雕还原的石墨烯氧化物/金纳米棒复合物区域；(3)、机器人整形；首先，将光雕还原后的双层薄膜从光雕平台上揭起，并按照机器人的具体结构，沿光雕图案的内、外轮廓线进行剪裁；然后，依据具体应用需要，给定机器人的光驱动器区域一定的弯折角(0-10°)，即得到光热驱动机器人。进一步地，步骤(1)中所述的石墨烯氧化物溶液通过如下方法制得：首先，将NaNO3和石墨粉按照质量比为1:1-1:4在冰浴条件0-3℃下混合、加入90-120mL浓硫酸(质量浓度98％)；然后，加入7-15g高锰酸钾，保持冰浴条件(0-5℃)并以800-1000r/min的转速搅拌60-110min；随后，将混合物依次升温至35℃和90℃，在这两个温度点搅拌保温并注入去离子水，保温时间分别为2h和15min，注入去离子水量依次为80和200mL，所用注水时间分别为30min和5min，保持搅拌转速为800-1000r/min；再加入10mL过氧化氢(体积浓度为30％)，关掉加热并继续搅拌12-20min，然后使其沉降18-30h；沉降完毕后倒掉上层清液，用去离子水稀释酸性产物，并以8000-15000r/min的转速离心12-18min，重复15-20次，直至上层清液pH值为7；最后，将产物悬浊液以1000-1500r/min的转速离心10-20min，重复3-5次，直至无肉眼可见的黑色石墨颗粒，即得到浓度为4-8mg/mL的石墨烯氧化物溶液。进一步地，步骤(1)中所述的金纳米棒溶液通过如下方法制得：所用试剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)(0.01M)、NaBH4(0.01M)、HAuCl4(质量浓度23.5-23.8％)、AgNO3(0.001M)和抗坏血酸AA溶液(0.1M)；合成金种子：在20-60℃水浴、800-1000r/min的转速搅拌条件下，向9-12mL的CTAB溶液中依次加入0.3-0.6mL的HAuCl4和0.6-1.4mL的NaBH4，同时将转速调至2000-2600r/min并搅拌1-3min，然后将转速调至800-1000r/min并搅拌0.5-2h，得到棕色的金种子溶液；合成金纳米棒：在20-35℃水浴、800-1000r/min的转速搅拌条件下，向150-200mL的CTAB溶液中依次加入10-15mL的HAuCl4溶液、0-2.8mL的AgNO3溶液、1.4-2.8mL的AA溶液和0.8-1.2mL的金种子溶液，然后继续滴加AA溶液(每次0.1-0.3mL)直至溶液由棕黄色变为澄清，继续在500-1000r/min的转速下搅拌10-15h，即得到所需的金纳米棒溶液。进一步地，步骤(2)所用光雕平台为商用的光雕光盘，所用激光光源为光驱中集成的波长为780nm的激光器，所用的光雕扫描起始点为光雕光盘上的默认记忆起始点，扫描方式为逐圈扫描。本专利技术还提供了利用光雕技术制备的光热驱动机器人的应用，即利用不同驱动光源分别驱动机器人的抓取或爬行。进一步地，所述的驱动光源可以是大灯泡(功率200W以上)或激光光源(功率50-200mW，光斑大小2cm*2cm)。本专利技术的原理是利用商用光雕光驱对石墨烯氧化物和金纳米棒复合物薄膜进行图案化的激光扫描，对机器人结构中的图案化线条和光驱动器区域进行光还原，使此部分区域的石墨烯氧化物被还原，得到若干具有光热响应的光驱动器组件。该方法制备的光热驱动机器人对驱动光源具有适应性和波长响应特性，具体地：光源适应性是指驱动光源可以是大灯泡(功率200W以上)或激光光源；波长响应特性是指用激光驱动时，光热驱动机器人只对特定波长有响应，波长响应范围为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光热响应材料，其特征在于，所述材料为双层薄膜型复合材料，一层为还原的石墨烯氧化物/金纳米棒复合物薄膜，另一层为聚合物薄膜；其中，所述的还原的石墨烯氧化物/金纳米棒复合物薄膜中，还原的石墨烯氧化物与金纳米棒的质量比为3.25:1‑8.12:1，膜厚为1‑2μm；所述的聚合物薄膜材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，膜厚为10‑50μm。

【技术特征摘要】
1.一种光热响应材料，其特征在于，所述材料为双层薄膜型复合材料，一层为还原的石墨烯氧化物/金纳米棒复合物薄膜，另一层为聚合物薄膜；其中，所述的还原的石墨烯氧化物/金纳米棒复合物薄膜中，还原的石墨烯氧化物与金纳米棒的质量比为3.25:1-8.12:1，膜厚为1-2μm；所述的聚合物薄膜材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，膜厚为10-50μm。2.利用权利要求1所述的光热响应材料制备光热驱动机器人的方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)光热响应材料前驱体的合成；取石墨烯氧化物溶液与金纳米棒溶液以10:1-20:1的体积比混合，搅拌转速为300-800r/min，搅拌时间为10-15min，得到石墨烯氧化物与金纳米棒复合纳米材料的溶液，其中，石墨烯氧化物溶液的浓度为4-8mg/mL，金纳米棒溶液的浓度为0.1-0.5mM；然后将复合纳米材料的溶液旋涂至PMMA薄膜上形成上层复合物薄膜，其中复合物薄膜的厚度为1-2μm，下层PMMA膜的厚度为10-50μm；并在50-70℃下烘5-6h，最终得到复合薄膜/PMMA的双层薄膜，即光热响应材料前驱体；其中，金纳米棒溶液中金纳米棒的径长比范围为0.25-1；(2)、光雕还原制备机器人；首先，将步骤(1)合成的双层薄膜通过静电吸附平整贴合到光雕平台上，并以胶带固定两端；然后，将设计好的机器人结构的图案化图片导入光驱控制软件NeroStartSmartEssential中，利用激光按照导入的图案对双层薄膜的光驱动器区域进行扫描，完成光雕还原制备光热响应材料；最终，光雕完毕的双层薄膜为对应机器人结构的图案化薄膜；其中，薄膜上的图案化线条和区域为光雕还原的石墨烯氧化物/金纳米棒复合物区域；(3)、机器人整形；首先，将光雕还原后的双层薄膜从光雕平台上揭起，并按照机器人的具体结构，沿光雕图案的内、外轮廓线进行剪裁；然后，依据具体应用需要，给定机器人的光驱动器区域一定的弯折角，0-10°，即得到光热驱动机器人。3.如权利要求2所述的利用光热响应材料制备光热驱动机器人的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的石墨烯氧化物溶液通过如下方法制得：首先，将NaNO3和石墨粉按照质量比为1:1-1:4在冰浴条件0-3℃下混合、加入90-120mL浓硫酸，质量浓度98％；然后，加入7-15g高锰酸钾，保持冰浴条件0-5℃并以800-1000r/min的转速搅拌60-110min；随后，将混合物依次升温至35℃和90℃，在这两个温度点搅拌保温并注入去离子水，保温时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙洪波，张永来，韩冰，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22