近年来，自主自驱动水凝胶因其无需外部电源即可实现移动与导航的特性，吸引了大量科研人员的目光。尽管基于外部刺激驱动的水凝胶展现出了较高的可控性，但外部刺激源的复杂性与局限性却极大地制约了其在软机器人领域的实际应用。受到自然界半水生昆虫的启迪，科研人员开始探索利用马兰戈尼效应，通过构建表面张力梯度实现水凝胶的自推进。然而，传统方法仍需依赖额外“燃料”来产生表面张力梯度，这不仅降低了推进效率，还在燃料的添加、存储等方面带来了诸多挑战，严重阻碍了水凝胶的自主性与小型化发展。
尽管已有研究报道了一种具有动态疏水特性的自驱动水凝胶，该水凝胶能通过动态润湿过程产生不对称表面张力，实现长时间的自驱动。但因其对疏水边界的潜在吸引力，其运动性能仍面临严峻挑战。此外，当前大多数自驱动水凝胶在执行复杂任务时仍需依赖外部电源，而水伏发电技术虽为自主发电提供了新的可能，但已报道的水凝胶能量收集材料的功率密度与转换效率仍难以满足实际应用需求。
针对上述难题，上海工程技术大学的张艳与杨东野团队提出了一种集自驱动与自供电性能于一体的新型MXene水凝胶（MXene-chitosan composite hydrogel, CM)。CM水凝胶通过席夫碱键水解断裂释放香草醛，从而产生浓度梯度马兰戈尼效应协同动态润湿马兰戈尼效应，引起自驱动行为。该水凝胶通过席夫碱键的水解断裂释放香草醛，从而引发浓度梯度马兰戈尼效应与动态润湿马兰戈尼效应的协同作用，实现自驱动行为。实验结果显示，CM水凝胶展现出卓越的运动性能，包括快速移动（最高瞬时速度达19.6 cm/s）、长时间持续（50分钟）以及可控的运动轨迹。尤为值得一提的是，CM水凝胶还具备出色的可降解性（98天内降解率达95.29%）、可重复性（25次循环）以及可回收性。此外，CM水凝胶内的纳米限制通道在增强其水伏发电性能方面发挥了关键作用。实验证明，CM水凝胶水伏发电装置（CM-WEG）在海水中能实现高达0.83 V的电压和0.107 mA的电流输出，而在K₂CO₃溶液中更是达到了1.26 V的电压和0.922 mA的电流，展现了极高的能量转换效率。凭借独特的自推进与自发电功能组合，CM水凝胶成功应用于货物运输领域，并为电子设备提供了稳定的电力支持。
该研究成果以“High-Performance MXene Hydrogel for Self-Propelled Marangoni Swimmers and Water-Enabled Electricity Generator”为题，发表于国际知名期刊《Advanced Science》。通讯作者为张艳、杨东野和曹玲燕教授，第一作者为周浃燚。这一创新性的研究成果不仅为自驱动水凝胶和水伏发电技术的发展开辟了新路径，更为未来智能材料的应用提供了广阔前景。
【工作要点】
基于MXene的水凝胶具有良好的自驱动性能，最高瞬时速率为19.6 cm/s，运动时长为50 min。通过自驱动实验和流体力学模拟证明该水凝胶通过席夫碱键断裂释放香草醛，诱导浓度梯度马兰戈尼效应，实现自驱动。
图1 水凝胶的制造和表征
在对比壳聚糖水凝胶（CS）、壳聚糖-氧化石墨烯水凝胶（CG）、CM水凝胶及冻融循环水凝胶（FTCM）的运动性能时，研究者发现席夫碱键含量显著影响初速度与运动时长，且动态润湿马兰戈尼效应与溶剂马兰戈尼效应协同作用，通过调节溶液pH值和表面张力可有效控制这些水凝胶的自驱动速度。
图2 水凝胶的自驱动性能和运动机制
通过自驱动实验与理论计算，证实了水凝胶的运动功能受横向毛细力影响，并分析了形状对水凝胶运动规律的作用，经有限元模拟验证，水凝胶的运动轨迹与其几何形状直接相关，形状变化影响香草醛在溶液中的扩散，进而调控马兰戈尼力。进一步研究显示，通过设计水凝胶材料和运动环境，可有效控制马兰戈尼力与毛细力，实现对水凝胶运动的精准调控。
图3 水凝胶运动轨迹的控制和模拟
图4 可重复性、降解性和可回收性
该水凝胶展现出卓越的自驱动性能、25次可重复性、98天内95.29%的可降解性及可回收功能。
将水凝胶组装为水伏发电器件（CM-WEG）后，其独特的三维网络结构和丰富的亲水基团赋予了卓越的水分子吸附和运输能力。水凝胶内部的限域孔道对溶液中的离子具有吸附和筛选作用，从而使其在模拟海水和天然海水中都具有优异的电输出性能。
图5 CM 水凝胶的水力发电。
在CM-WEG系统中，离子的角色至关重要，影响着水伏发电的效率。具体而言，介电常数较低时，对电荷的束缚减弱，使得更多阳离子和H3O+能随水分定向移动，从而增强器件的输出性能。有限元模拟进一步验证了限域孔道对离子的吸附和筛选作用。通过精细调控水凝胶的孔道尺寸，可以有效促进电荷的分离与运输，进而显著提升CM-WEG器件的整体性能。
图6 CM-WEG性能的综合表征和模拟
CM-WEG的输出性能相比以往成果有显著提高，通过串联、并联方式可大幅提升电输出，且具备电容器充电功能。此外，CM水凝胶在货物运输上潜力巨大，能驱动船只辅助环境监测，同时转化电能为导航设备供电，助力河流探索任务。
图7 CM-WEG 的应用。
【结论】
综上所述，成功研制出一种集成自驱动和自发电性能的CM水凝胶。CM水凝胶表现出快速的响应、较长的使用寿命和相当大的运动速度。产生浓度梯度马兰戈尼效应和动态润湿诱发马兰戈尼效应，从而实现自驱动。此外，CM水凝胶表现出卓越的可重复性、可降解性和可回收性。CM-WEG凭借其丰富的官能团和纳米限域孔道，促进高效吸水、快速离子传输和选择性离子传输，最终增强发电能力；它在海水和含有K2CO3溶液表面分别可以自发产生0.83 V和1.26 V的高电压。这种智能水凝胶可以作为移动模块，实现程序化移动和货物运输等多种应用，同时还可以为设备充电。本研究奠定了智能水凝胶开发的基础，并为创建自供电、自推进的软机器人系统提供了有效的策略。
【文章链接】
Jiayi Zhou, Yan Zhang,* Ming Zhang, Dongye Yang,* Wenwei Huang, Ao Zheng, and Lingyan Cao*. High-Performance MXene Hydrogel for Self-Propelled Marangoni Swimmers and Water-Enabled Electricity Generator. Adv. Sci. 2024, 2408161.
DOI: 10.1002/advs.202408161
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