华南理工何明辉和华中大苏彬: 含多重氢键的自修复透明导电弹性体
作为可拉伸显示和光学电子器件的基本构件之一，透明导电弹性体需要具备优异地机械和电学性能。水凝胶材料虽可兼具自修复能力和高透明度，然而恶劣环境下水分的蒸发或结晶易导致设备失灵。离子液体/聚合物材料制备的离子凝胶存在离子液体泄漏的风险以及使用大量有机溶剂的弊端，阻碍了实际应用。可见，弹性体结构内缺乏有效地可逆动态键，难以制备自主修复的透明导电弹性体。因此，目前亟需一种新的有效策略来制备具有优异自修复能力的透明导电弹性体，规避水凝胶和离子凝胶的弊病。
为解决上述问题，华南理工大学何明辉副研究员和华中科技大学的苏彬教授在前期开发的可聚合低共熔溶剂（Polymerizable deep eutectic solvent, PDES）透明导电材料的工作基础上（J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 8475; Chem. Commun., 2018, 54, 2304; ACS Appl. Mater. Inter., 2019, 11, 14313; Chem. Commun., 2020, 56, 2771），在丙烯酸/氯化胆碱（AA/ChCl）PDES中引入植酸（PA），利用体系内存在的高密度氢键形成的超分子动态网络制备了高透明度（93%）、优异拉伸性能（~1300%）、高离子导电性（7.8 ×10−4 S cm−1）和优异自修复能力（91.5%效率）的透明导电弹性体Poly(AA/ChCl)-PA（如图1）。利用该弹性体制造的形变传感器可用于人体活动监测，且修复后的弹性体依然可以正常工作。
图1. 透明导电弹性体Poly(AA/ChCl)-PA的自修复过程和化学结构
研究人员向ChCl/AA PDES中添加不同比例的PA溶液，利用原位UV光聚合方式制备透明导电弹性体。UV-Vis光谱表征Poly(AA/ChCl)-PA弹性体的光学透过率高达93%，且随PA添加量增加而提升（图2a-c）。将弹性体连接入电路测试其电学性能，小灯泡可在弹性体循环拉伸过程中保持发光，表明其优异的电学性能，且导电性随PA添加量而提升。
图2. 导电弹性体Poly(AA/ChCl)-PA的光学和电学性能
使用密度泛函理论（DFT）计算三种分子间作用力（Poly(PDES)与PA；Poly(PDES)分子间；PAA与PA），发现Poly(PDES)与PA分子间的结合能最低，为-25.8 kacl/mol，实验上也验证了导电弹性体Poly(AA/ChCl)-PA体系内的强氢键作用力赋予了优异的自修复能力，如图3。
图3. Poly(PDES)和PA之间多重氢键作用的理论计算和实验验证
研究人员还探讨了PA加入量对Poly(AA/ChCl)-PA弹性体机械性能和自修复性能的影响。通过改变PA的加入量，弹性体聚合物网络内的氢键密度大幅增加，导致机械性能显著提升。PA加入量为0.05 mol%时拉伸形变最大，达到1300%（图4a）。通过循环拉伸和流变性能测试验证了体系内存在大量的氢键（图4b-c）。多重氢键作用赋予了弹性体无需外部刺激的室温自修复行为（图4d-f），48小时后的修复效率为91.5%。
图4. 透明导电弹性体Poly(AA/ChCl)-PA的力学和自修复性能
还研究了弹性体的电学自修复性能，将串联进电路的弹性体切断后重新连接在一起，小灯泡依旧发光（图4a）。从修复前后弹性体随拉伸形变变化的电学数据可知，在拉伸形变小于500%时，两者之间电学性能几乎没有区别（图4b）。同一位置连续切断修复的电学数据监测发现，电学性能几乎保持不变，表明了优异的电学自修复能力（图4c）。将弹性体作为应变传感器用于人体活动监测，研究表明无论修复前后，透明导电弹性体均表现出稳定的电学信号变化。
图5. 透明导电弹性体Poly(AA/ChCl)-PA的电学自修复性能及作为形变传感器
以上相关成果发表在Chemical Engineering Journal上 (Chem. Eng. J. 2020, 393, 124685)，论文的第一作者为华南理工大学博士生李仁爱，共同第一作者为华南理工大学樊婷副研究员，通讯作者为华南理工大学何明辉副研究员和华中科技大学苏彬教授。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.124685
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