无添加剂Ti3C2Tx MXene驱动器：通过层间距精准调控实现大变形、可编程及高湿度稳定性

这篇研究报道了一种无添加剂Ti3C2Tx MXene薄膜驱动器，通过梯度结构设计和创新的循环低温退火-再水合（CLTA-RH）技术，实现了层间距（d-spacing）的精准调控。该驱动器在湿度、光和电刺激下表现出>520°的大变形能力，且在84%高湿度环境中保持1500次循环稳定性，为智能软体机器人和可穿戴设备提供了高性能可持续解决方案。

　　

引言

智能驱动器在软体机器人、可穿戴电子和生物医学领域具有重要应用价值。二维过渡金属碳化物（Ti₃C₂T_x MXene）因其优异的光电热性能和表面可调性成为理想驱动材料。然而，现有MXene驱动器依赖添加剂或异质结构，导致机械性能下降和湿度稳定性不足。本研究通过尺寸差异MXene纳米片的梯度组装和CLTA-RH技术，解决了这一难题。

材料设计与制备

通过优化LiF/HCl蚀刻工艺，分别制备了大尺寸（≈10.3 μm，LM）和小尺寸（≈0.35 μm，SM）MXene纳米片。XPS显示SM纳米片含更多氧官能团（Ti(IV)峰强度差异达30%），这为其梯度结构构建奠定了基础。采用顺序真空过滤法获得梯度MXene薄膜（GMF），其截面HAADF-STEM图像清晰显示LM层（密度1.29 nm）与SM层（1.35 nm）的d-spacing差异。

创新性CLTA-RH技术

常规干燥的GMF在高湿度（84% RH）下24小时即失去变形能力。而经过60°C低温退火与再水合循环处理的GMF，接触角从10.5°（SM层）增至44.4°，水分子扩散通道得到优化。HRTEM证实该技术使SM/LM层d-spacing差值从0.24 ?（23% RH）扩大至0.48 ?（84% RH），为程序化变形提供基础。

多刺激响应机制

湿度响应：SM层因更多亲水基团吸收水分子，d-spacing增幅较LM层高80%（Δd=0.54 ? vs 0.30 ?），驱动薄膜向LM侧弯曲（>520°）。

光热驱动：808 nm光照下（835 mW cm^?2），SM层更快脱水导致向SM侧弯曲（>580°），VIC-3D系统测得表面收缩应变达-0.008。

电热驱动：2.5 V电压下薄膜温度升至110°C，实现>630°变形，导电性保持7453 S cm^?1（达LM膜的92.4%）。

性能优势与应用

对比传统聚合物辅助驱动器，该GMF在84% RH环境中保持1500次循环稳定性，突破MXene材料湿度敏感瓶颈。仿生应用中，光驱动花朵（响应时间1.8 s）和电控夹持器展示了其实际潜力。TMA分析显示SM层热膨胀系数（-12.94 ppm K^?1）显著高于LM层（2.38 ppm K^?1），揭示了变形动力学本质。

结论

该工作通过纯MXene梯度结构设计和CLTA-RH技术，实现了驱动器性能-稳定性的协同优化，为下一代智能材料开发提供了新范式。其环保工艺（无需有机溶剂/碱性溶液）和多重刺激响应特性，在医疗微创器械和环境自适应机器人领域具有广阔前景。