王武博士课题组《ACS Applied Nano Materials》：具有超灵敏火灾预警响应的高导电液态金属基形状记忆材料

在传统的火灾预警系统中，高温触发机制一直占据着主导地位。这种机制的基本原理是，当环境温度上升到一定阈值（通常是180°C或更高）时，火灾探测器内部的感温元件会发生物理或化学变化，从而触发报警信号。这种设计在一定程度上能够有效应对由高温引发的火灾，尤其是在处理那些具有较高燃点的可燃物时，能够提供相对可靠的预警。然而，随着工业、商业以及居民生活中使用的材料种类日益增多，许多新型材料的燃点相对较低，这意味着它们可能在远低于传统高温触发阈值的情况下就能被引燃。例如，某些塑料、合成纤维以及某些化学制品的燃点远低于180°C，一旦这些材料遇到火源或高温环境，很可能迅速燃烧并引发火灾。因此，传统的依赖于高温触发机制的火灾预警系统在面对这些燃点较低的材料时，就显得力不从心。由于无法及时感知到环境温度的微小变化，这些系统往往无法提供足够的预警时间，使得火灾防控工作面临巨大挑战。

2021年11月30日，湖南工业大学王武课题组《ACS Applied Polymer Materials》杂志在线发表了题为“Highly Conductive Liquid Metal Based Shape Memory Material with an Ultrasensitive Fire Warning Response”的研究论文。该论文报道了液态金属基形状记忆材料（LM-SMM）。这种新型材料通过集成液态金属（LM）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚氨酯泡沫，成功实现了超灵敏的火灾响应特性，为解决传统火灾预警系统在高灵敏度与低触发温度之间的矛盾提供了新方案。通过优化材料配方和结构设计，LM-SMM能够在较低的温度下发生形状变化或导电性变化，从而实现对火灾的早期预警。这种新型材料的出现，为火灾预警技术的发展提供了新的思路和方向，也为保障人民生命财产安全提供了更加可靠的技术保障。LM-SMM的核心优势在于其结合了液态金属的相变功能和PDMS的柔韧性。液态金属的相变功能使得材料能够展现出优异的形状固定特性，而PDMS的加入则确保了良好的形状恢复性能。更为关键的是，这种材料仍然保持了良好的导电性，这一特性使得LM-SMM在先进电子产品及火灾预警系统中的应用前景广阔。通过精心设计的可切换结构与出色的导电性相结合，LM-SMM能够在极短的时间内达到最低的火警响应温度，从而显著缩短火灾预警的响应时间。这一特性对于易燃材料的安全储存和运输具有重要意义，能够有效降低火灾事故的风险。此外，该研究成果不仅实现了高传导性LM-SMM的制造，还拓展了其应用领域，为未来的新技术提供了无限可能。研究团队表示，这种新型材料有望成为下一代超灵敏火警响应材料的重要候选，为火灾预防和安全防护领域带来全新的解决方案。

在材料科学的领域中，刺激响应型材料因其能够根据外界环境的变化做出相应反应而备受关注。其中，MXene薄膜作为一类新兴的二维材料，因其独特的物理化学性质，在人造肌肉、生物医学设备等众多领域展现出了巨大的应用潜力。然而，传统刺激响应型MXene薄膜在形状变形方面需要持续的外部刺激来维持其临时形状，这一特性限制了其在某些特定领域如智能控制、动态结构等方面的应用。具体来说，MXene薄膜在受到如电场、温度或湿度等外界刺激时，能够发生形状或性质的变化。但这种变化往往需要持续的外界刺激来维持，一旦刺激消失，薄膜便会恢复到原始状态。这种依赖性限制了MXene薄膜在需要稳定临时形状场景中的应用，如可变形医疗器械、智能穿戴设备等。

为了克服这一局限，2022年5月25日，湖南工业大学王武课题组《Composites Part A:Applied Science and Manufacturing》杂志在线发表了题为“A Shape Programmable MXene Based Supermolecular Nanocomposite Film”的研究论文。该研究通过将MXene与聚乙烯醇（PVA）进行巧妙整合，开发出了一种全新的基于MXene的形状可编程超分子纳米复合薄膜。

这种纳米复合薄膜的创新之处在于，MXene不仅作为导电和增强的纳米填料，还在聚乙烯醇分子间提供了额外的分子间氢键相互作用，成为纳米复合材料中的交联点。这种特殊的结构赋予了薄膜优异的固形性和水响应形状记忆性能。当薄膜接触到水时，水分子能够渗透并塑化聚乙烯醇链，导致薄膜在预设的形状下发生可逆变形，而无需持续的外部刺激。这一发现不仅解决了传统刺激响应型MXene薄膜在保持临时形状方面的难题，还极大地拓展了MXene薄膜在控释系统、智能生物制药、软机器人以及生物传感器等领域的潜在应用。例如，在智能生物制药领域，这种薄膜可以根据体内环境的变化（如温度、湿度或特定化学物质的存在）自主调整形状，实现药物的精准释放；在软机器人领域，则可以作为动态结构的基础材料，为机器人提供更加灵活多变的运动能力。

在智能材料与系统的研究中，基于MXene的复合材料致动器因其耐用性和高反应灵敏度而备受瞩目，成为该领域研究的热点与核心。传统致动器设计往往依赖于单一的材料特性与结构，限制了其在复杂多变环境中的应用潜力。然而，MXene基复合材料致动器凭借其独特的物理化学性质，为这一领域带来了革命性的变化。传统致动器的工作原理多基于材料的热膨胀、电致伸缩或磁致伸缩等效应，但这些机制在应对复杂环境变化和实现精细控制时显得力不从心。特别是在需要高度灵活性和形状可重构性的应用场景中，如软体机器人、智能传感器及动态结构等，传统致动器的局限性尤为明显。

在此背景下，2023年10月9日，湖南工业大学王武课题组《ACS Applied Nano Materials》杂志在线发表了题为“Shape Reconfigurable Supramolecular MXene Based Memory Films”的研究论文。成功研发了一种MXene/PVA型致动器，该致动器通过MXene表面独特的F官能团与PVA链上的羟基之间的相互作用，形成了一种可逆的“锁定”结构。这种独特的结构不仅增强了材料的机械性能，还赋予了致动器前所未有的形状重构能力。

具体而言，通过精确调控这种可逆“锁定”结构的形成与解离过程，MXene/PVA致动器能够在不同刺激下实现形状的重新配置，从而满足多样化的结构设计需求。这一发现不仅标志着首次在MXene基致动器中观察到形状重构现象，更为其他具有类似潜力的聚合物复合基质系统提供了宝贵的创新设计策略。MXene/PVA致动器的形状重构能力极大地拓宽了其应用领域。在软体机器人领域，该致动器可作为动态关节或驱动元件，实现机器人更加灵活多变的运动模式；在智能传感器方面，其形状可随环境变化而调整，提高传感器的灵敏度和适应性；此外，在生物医学、航空航天等前沿科技领域，MXene/PVA致动器也展现出巨大的应用潜力。