作者:从怀萍等 来源:《自然—合成》 发布时间:2022/10/5 13:49:31
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中国科学家成功研制高环境耐受弹性导体

 

2022年10月3日,合肥工业大学从怀萍教授与中国科学技术大学俞书宏院士团队合作在Nature Synthesis期刊上发表了一篇题为“Highly compressible and environmentally adaptive conductors with high-tortuosity interconnected cellular architecture”的研究成果。

研究团队发展了“取向组装与程序化聚合”相结合的合成方法,实现了具有高曲率蜂窝交联网络结构、多重极端环境耐受的抗压缩弹性导体材料的普适合成,为构建面向复杂环境应用的柔性可穿戴器件提供了材料解决方案。论文通讯作者是从怀萍、俞书宏;第一作者是王阳宇、秦海利。

导电水凝胶因其独特的导电性能、复杂弯曲表面粘附性和机械刺激智能响应等特性,在柔性可穿戴电子器件、生物电子器件和软体机器人等领域具有重要应用。由于缺乏有效的结构设计和合成策略,当前人工合成水凝胶的耐疲劳性能仍远低于自然界生物组织,严重限制了实际应用。受自然界中蜂窝结构生物材料的启发,科学家研制了一系列具有优异耐压缩性能的多孔结构碳基导电材料。然而,这类材料因受限于组分和不完美结构,环境适应性比较弱,通常仅能在自然条件下保持良好的机械性能。特别是在反复压缩条件下,材料力学强度永久性衰退以及残余应变急剧增加的问题仍然非常严重。因而,如何跨尺度精确调控蜂窝等级结构,并合理设计弹性组分,不断接近材料力学弹性和抗疲性能的理论极限,从而实现高环境适应性弹性材料的研制仍然存在巨大挑战。

近日,合肥工业大学从怀萍教授和中国科学技术大学俞书宏院士团队基于发展“纳米基元组装协同原位聚合”策略来调控聚合物网络结构和功能的研究基础(Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202209687; Nano Lett. 2022,22, 1433-1442; Nat. Commun. 2021, 12, 4297; Adv. Mater. 2019, 31, 1900573; Nat. Commun. 2018, 9, 2786),提出了“取向组装与程序化聚合”相结合的合成方法,通过从分子、超分子尺度、介观尺度以及纳微尺度对水分子相变、界面聚合、纳米线组装蜂窝网络弯曲度以及蜂窝侧壁相互交联结构进行跨尺度精细调控,产生了“纳米结构单元取向组装-相变诱导扭曲-聚合稳定结构”效应,实现了多种具有各向异性、高弯曲度内质网结构特征的抗疲劳、耐压缩导电水凝胶的普适合成。通过进一步原位交联聚合亲油聚合物链,富含亲水/亲油互穿网络结构的油性水凝胶可在多种有机溶剂和低温环境下表现出优异的机械和传感行为。

图1:耐压缩导电水凝胶的合成示意图。

图2:耐压缩导电水凝胶的机械性能。

受益于等级蜂窝网络结构和混凝土增强型组成,所合成水凝胶展现出优异的压缩性能和抗疲劳性。在50%压缩应变下,连续压缩3万次,仅产生1.5%的不可逆形变,仍能保持约80%的力学强度。值得注意的是,该材料实现了水凝胶体系前所未有的水下耐压缩弹性,在水下50%形变下进行5万次连续压缩后无残留应变产生。基于该体系对机械形变的独特响应性和高弹性恢复能力,该水凝胶能够灵敏地检测物质运动的方向和速度,还可用作水下压力传感器感知人类在水下的运动。

图3:耐压缩导电水凝胶的传感性能。

图4:高环境耐受的油性水凝胶的合成与性能。

为了解决水凝胶在溶剂等特殊环境中服役性低的难题,课题组进一步提出了有机水凝胶策略,通过原位聚合反应在水凝胶网络中复合亲油性聚合物,构建了独特的亲油亲水聚合物链互穿网络结构,实现了水凝胶在有机溶剂和低温多种恶劣环境中仍保持优异的柔韧度和耐压缩性能。

该研究为研制高性能柔性导电软材料提供了可简单规模化制备及大面积集成的普适合成方法,在构筑极端环境下应用的柔性可穿戴电子器件领域具有巨大应用潜力。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费专项资金、安徽省高校协同创新项目、安徽省自然科学基金项目的资助。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s44160-022-00167-5

 
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