元素百科为您介绍中国科学院苏州纳米研究所的研究人员，探索纳米材料的新储能转换机制。近日，中国科学院苏州纳米研究所研究员陈伟研究组与中国科学院化学研究所院士李玉良、香港理工大学陶晓明教授合作，设计制备了一种基于石墨炔新材料的电化学驱动器，从发现石墨炔材料的微分子驱动机制到宏观驱动器件的高能转换效率驱动特性，进行了全面系统的研究。在《自然-通信》杂志上发表了相关成果。
仿生人工肌肉材料是20世纪90年代迅速发展起来的一种新型智能材料，不断掀起全球科学家的研究热潮，在航空航天、仿生机器人、生物医学等工程领域具有重要的应用价值。
离子聚合物-金属复合材料（IPMC），又称电化学驱动器，是一种典型的仿生人工肌肉材料。它是由两层电极和离子聚合物组成的三明治结构。在电场的作用下，电能和机械能的转换依赖于离子在电极界面上的可逆嵌入过程。由于其低压驱动、柔性变形等特点，在软机器人、智能穿戴、医疗器械等方面具有广阔的应用前景。
目前，学术界公认的IPMC材料驱动机制是电容致动机制。在驱动电压的刺激下，电极层中预膨胀、嵌入和嵌入一定数量的离子，导致电极材料的可逆膨胀和收缩效应，导致驱动器的宏观应变。换句话说，电极材料的储能量越大，驱动效应就越强。
基于这一机制，各种高储能纳米材料被试用作IPMC电极。与传统IPMC材料相比，驱动性能有了很大提高，但与实际应用相比仍存在很大差距，一度成为人们难以理解的混乱。原因是储能与驱动性能并不总是正相关的，它们之间存在能量转换效率问题。
经过大量的研究和探索，研究小组发现，电极的能量转换效率主要取决于复杂的因素，如材料的电学特性、孔结构、分子结构和力学特性。因此，为了在驱动性能和应用方面取得突破，有必要开发新的纳米结构活性材料，探索新的储能转换机制。
研究小组提出并验证了一种新的分子驱动机制——石墨炔炔互变效应，与传统的电容驱动机制完全不同，是基于可逆配位转换效应引起的材料结构变化。“由于传统的检测方法（如拉曼、红外线等）难以捕捉这种分子尺度的配位转换效应，我们创造性地使用高灵敏度的原位和频共振光谱技术来验证这种分子驱动机制。”
陈伟解释说，正是由于这种活性功能单元的作用，石墨炔IPMC柔性电极不仅具有优异的电化学储能特性，而且具有电-机械能转换能力。石墨炔驱动器比电容器高，倍率特性好，能量传输效率远高于同类电化学传输器件，能量密度等于哺乳动物生物肌肉的能量密度，将电化学传输器的性能提高到一个新的水平。
