广西大学何辉等: 密闭空间里能保障生命的“碳管家”微纳米机器人

针对密闭空间CO?管理的技术瓶颈，广西大学何辉团队跳出“单一功能优化”框架，战略性地耦合纳米颗粒和温敏性大分子，设计出具有类生命环境响应的微纳米可重构机器人(MNRM)，实现“高效吸附-低能耗再生-智能热管理”的协同突破。MNRM中高密度的氨基位点是CO?捕获超级猎手，与水携手打破“氨基孤岛效应”，实现6.19 mmol g?1的高吸附容量；再生阶段的核心创新在于温敏“开关”引导的“纳米重构”：当温度升高，F127分子链从伸展转为蜷曲，不仅提升氨基表面静电势，还降低了(LUMO)能级，削弱氨基对吸附产物的亲核攻击能力，从而抑制尿素结构生成，使再生温度降至55 °C。同时，MNRM中Fe?O?纳米颗粒在磁场驱动下实现整体微米重构，配合GO的热传导作用，巧妙传递热量，避免局部过热。更值得关注的是，MNRM可利用太阳能实现低能耗再生，仅需0.7倍太阳光强度(700 W/m2)即可达到55°C再生温度，10次循环后吸附容量仍保持91.6%，再生能耗仅314.86 J/g，远低于传统热再生方案。

I 设计理念：鱼群行为启发的“智能协同”

MNRM的结构设计突破传统材料“静态”局限，内部Fe?O?纳米颗粒作为磁/光热双引擎，与GO一起构建了高效的光热体系，太阳能吸收率达71%，1 sun照射下可快速升温至78 °C；同时借助动态磁场实现磁驱动微米重构，模拟鱼群协同运动，避免静态光热易出现的“表面过热、内部未热”问题，导热性至少提升33.33%，实现非接触式热管理。

图1. MNRM的微/纳尺度重构设计及其在高能效CO?捕集中的应用。

图2. MNRM的制备及其微重构性能。

II 纳米重构：温度响应的“分子变形术”

分子动力学和基础表征均证实，F127的温敏响应机制赋予MNRM“分子机械臂”式的动态特性，使其在热触发下完成自我蜷缩与舒展。低温时，分子链段松散舒展，有利于溶胀和扩散；高温时，分子链段收缩卷曲，具体表现为粒径缩小、表面粗糙度提升2.3倍。这些纳米级构象转变，有利于调控氨基微环境为低温再生铺路。

图3. MNRM的纳米重构特性。

尽管 MNRM 的氨基密度高达16.65 mmol g?1，其在干态条件下的CO?吸附容量仅为 0.77 mmol g?1，表明大量氨基位点处于低利用状态。值得注意的是，MNRM的润胀率高达 311%，水的加入显著提高了氨基位点的可及性与有效利用度，使伯/仲/叔胺基团均能够参与吸附过程，改善CO?扩散行为并提升传质效率，同时暴露出更多反应活性氨基位点，从而使吸附容量提高至6.12 mmol g?1。

图4. 干湿/状态下MNRM对CO?的吸附性能。

IV 再生机制：分子优化的“低温突破者”

传统固态胺基材料的高再生温度通常归因于热稳定的尿素结构的生成。MNRM借助温度诱导的纳米尺度重构特性，降低HOMO能级、增强氨基表面静电势，削弱氨基亲核性，有效抑制尿素结构形成。最终实现55 °C的超低再生温度，攻克胺基材料高能耗再生痛点。

图5. 纳米重构对低温再生性能的影响。

V 再生优势：多模式高效“节能标杆”

MNRM仅需55 ℃低温热再生，循环10次后吸附量仍达5.83 mmol g?1(再生率 94.18%)，无需高能耗加热；更支持0.7 sun光驱动光热再生，再生率91.6%。在吸附容量、再生温度、再生效率以及再生光强四维性能上优于同类光触发再生材料，成为低碳场景下碳捕获的节能优选。

图6. MNRM的高效节能再生。

VI 应用价值：密闭空间的“生命守护者”

密闭空间中，MNRM让小鼠存活时间最长延长54.61%，抑制肺部损伤，死亡点舱内CO?浓度仅1.95%(空白对照组达12.2%)，从根源缓解碳中毒风险；同时99.08%抗菌率抵御微生物污染，78.99%肺细胞存活率保障生物安全，兼具优异的抗菌性能与生物相容性。为潜艇、空间站等场景筑起“碳管理+健康保护”双重生命防线。

图7. MNRM在生命保障系统中的二氧化碳管理能力。

本研究设计的微纳可重构机器人MNRM，面向严苛体积与能耗约束的密闭空间，实现了集高效CO?吸附、低能耗再生与环境适配于一体的综合碳管理能力。得益于“分子猎手+温敏开关+光热/磁驱双引擎”的结构与功能设计，MNRM 在湿态条件下对低浓度CO?的吸附容量达到 6.19 mmol g?1，并通过温度触发纳米重构有效抑制尿素结构生成，以55 ℃ 实现超低温再生且在多循环中保持稳定性能。同时，其优异的光热转换与磁响应特性支持低光强条件下的高效光热再生，从整体上显著降低碳捕集能耗。密闭空间动物实验表明，MNRM 可显著延长小鼠存活时间、降低舱内CO?水平并兼具良好生物安全性，有望满足潜艇、空间站等生命支持系统对“碳管理+健康防护”的双重需求。总体而言，MNRM 在吸附容量、再生温度与再生能耗等关键指标上均表现出综合优势，为极端环境下智能响应型碳材料的设计与可持续碳管理提供了具有代表性的材料范式。

何辉

本文通讯作者

广西大学 副教授

▍主要研究领域

 (1)生物质基吸附分离功能材料；(2)纳米纤维基生物医用材料。

▍主要研究成果

广西大学轻工与食品工程学院副教授，博士生导师，广西八桂青年拔尖人才，广西大学王双飞院士团队。何辉老师的主要从事纤维素改性相关研究，近年来在Nano-Micro Letters、Advanced Functional Materials、Applied Catalysis B: Environment and Energy、Biomaterials、Advanced Composites and Hybrid Materials、Chemical Engineering Journal、Green Chemistry、Journal of Hazardous Materials等国际学术期刊上发表SCI论文70余篇，授权发明专利40件。主持国家自然科学基金面上项目、广西自然科学基金重点项目等国家/省部级项目10余项；获广西科学技术进步一等奖2项、广西自然科学三等奖1项、广西教学成果一等奖2项。

▍Email：gxuhh@gxu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

往期推荐

3D打印与柔性可拉伸电子

电子皮肤最新突破！温压无串扰高精度感知与智能闭环反馈

柔性电子集成最新突破！4096通道TFT阵列

柔性电子Nature不断！必读！

柔性电子再出Nature！

视频号：##柔性电子那些事