東華大學(xué)武培怡/孫勝童Nature子刊：新型自修復(fù)仿生材料
發(fā)布時(shí)間：2021-07-03 17:25:53 人氣：1924
可伸展的離子皮膚可以模仿天然皮膚的多種感覺。對(duì)于其在先進(jìn)電子學(xué)中的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，良好的彈性恢復(fù)、自修復(fù)，以及類皮膚的非線性力學(xué)響應(yīng)(應(yīng)變硬化)等優(yōu)點(diǎn)至關(guān)重要，然而，目前很難在一種材料中同時(shí)滿足上述條件。
近日，東華大學(xué)武培怡教授，孫勝童研究員報(bào)道了通過在氫鍵交聯(lián)的聚羧酸鏈網(wǎng)絡(luò)中引入熵驅(qū)動(dòng)的超分子兩性離子網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)并制備了一系列具有高彈性、透明、自愈和應(yīng)變硬化的質(zhì)子導(dǎo)電離子皮膚。
與依賴大量溶劑使用的水凝膠和離子凝膠不同，目前的離子彈性體只存在平衡含水量。這一特性使得分子間二聚體氫鍵足夠強(qiáng)，可以在常溫下交聯(lián)多羧酸鏈，同時(shí)當(dāng)浸泡在高濕度中時(shí)會(huì)變得動(dòng)態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)完全的自愈合，此外，由弱配合兩性離子組成的兩性網(wǎng)絡(luò)有助于離子彈性體的初始柔性，隨后在拉伸過程中會(huì)碎裂，從而形成一個(gè)非常堅(jiān)硬的氫鍵合的聚羧酸網(wǎng)絡(luò)。
基于兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的順序脫粘以及兩性離子的快速重組，典型的聚丙烯酸（PAA）/甜菜堿彈性體具有超高的伸長(zhǎng)率（1600%的伸長(zhǎng)率）、明顯的應(yīng)變硬化加強(qiáng)（模量提高24倍）、完全的自愈性（幾乎100%）和優(yōu)異的彈性回復(fù)（97.9±1.1%的恢復(fù)率，<14%的滯后）等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，兩性離子的存在也使離子彈性體具有保濕和防凍的優(yōu)勢(shì)，使其即使在惡劣的條件下也能穩(wěn)定地傳導(dǎo)質(zhì)子。此外，產(chǎn)生的離子皮膚具有很強(qiáng)的粘附性，很容易粘附在各種基材和人體皮膚上，但由于固有的張力強(qiáng)化效應(yīng)，也比較容易剝離。更有趣的是，離子皮膚可以通過快速溶解在水中并在空氣中重鑄來(lái)回收。
作為皮膚類傳感器，離子彈性體對(duì)應(yīng)變和溫度變化表現(xiàn)出及時(shí)的響應(yīng)，并可進(jìn)一步與彈性導(dǎo)電織物集成，作為離子智能傳感器感知壓力變化，顯示出其在可穿戴電子產(chǎn)品中的巨大應(yīng)用潛力。
近日，東華大學(xué)武培怡教授，孫勝童研究員報(bào)道了通過在氫鍵交聯(lián)的聚羧酸鏈網(wǎng)絡(luò)中引入熵驅(qū)動(dòng)的超分子兩性離子網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)并制備了一系列具有高彈性、透明、自愈和應(yīng)變硬化的質(zhì)子導(dǎo)電離子皮膚。
與依賴大量溶劑使用的水凝膠和離子凝膠不同，目前的離子彈性體只存在平衡含水量。這一特性使得分子間二聚體氫鍵足夠強(qiáng)，可以在常溫下交聯(lián)多羧酸鏈，同時(shí)當(dāng)浸泡在高濕度中時(shí)會(huì)變得動(dòng)態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)完全的自愈合，此外，由弱配合兩性離子組成的兩性網(wǎng)絡(luò)有助于離子彈性體的初始柔性，隨后在拉伸過程中會(huì)碎裂，從而形成一個(gè)非常堅(jiān)硬的氫鍵合的聚羧酸網(wǎng)絡(luò)。
基于兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的順序脫粘以及兩性離子的快速重組，典型的聚丙烯酸（PAA）/甜菜堿彈性體具有超高的伸長(zhǎng)率（1600%的伸長(zhǎng)率）、明顯的應(yīng)變硬化加強(qiáng)（模量提高24倍）、完全的自愈性（幾乎100%）和優(yōu)異的彈性回復(fù)（97.9±1.1%的恢復(fù)率，<14%的滯后）等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，兩性離子的存在也使離子彈性體具有保濕和防凍的優(yōu)勢(shì)，使其即使在惡劣的條件下也能穩(wěn)定地傳導(dǎo)質(zhì)子。此外，產(chǎn)生的離子皮膚具有很強(qiáng)的粘附性，很容易粘附在各種基材和人體皮膚上，但由于固有的張力強(qiáng)化效應(yīng)，也比較容易剝離。更有趣的是，離子皮膚可以通過快速溶解在水中并在空氣中重鑄來(lái)回收。
作為皮膚類傳感器，離子彈性體對(duì)應(yīng)變和溫度變化表現(xiàn)出及時(shí)的響應(yīng)，并可進(jìn)一步與彈性導(dǎo)電織物集成，作為離子智能傳感器感知壓力變化，顯示出其在可穿戴電子產(chǎn)品中的巨大應(yīng)用潛力。
這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)具有類皮膚的復(fù)雜感官和機(jī)械性能的魯棒材料鋪平了道路，并有望激發(fā)一系列仿生材料在傳感器、可穿戴電子產(chǎn)品、智能紡織品、人機(jī)接口等方面的各種應(yīng)用。
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