宁波材料所朱锦研究员团队AFM:在肌肉生理功能启发下的聚氨酯基可拉伸电子基体方面取得进展

点击上方“蓝字” 一键订阅

当前，可拉伸电子器件已经成为下一代电子设备最有价值的前沿之一，它们可以适应柔软和弯曲的形状。预计它们在人工智能（AI）时代将发挥更大的作用，并为我们的日常生活带来重大的变化。实现这一目标的有效方法之一是设计灵敏且可拉伸的传感器。为了满足特定和各种需求，必须使用多功能传感材料和弹性基体，它们是可拉伸电子器件的基本组成部分。迄今为止，已有多种聚合物弹性体被集成到电子设备之中，并提供了各种功能，例如可拉伸性，韧性或自愈合性能。这些弹性体在耐用和可拉伸电子器件的开发中扮演着越来越重要的角色。然而，所需的弹性体不仅应具有优异的机械性能（拉伸性和韧性），而且还应具有诸如自愈合之类的其他功能，以保持可拉伸电子器件的耐用性和稳定性，现面临如下挑战：

关键挑战1：弹性基体力学性能和自愈合性能的权衡

通常，研究者们将可逆的动态共价键或非共价相互作用基团引入聚合物中，以实现可重复的自愈合能力。但对于大多数自愈合高分子来说，力学性能（拉伸性和韧性）与自愈合性能的提高以及它们之间进行权衡成为了提高可拉伸电子稳定性和耐用性的关键挑战之一。

关键挑战2：弹性基体过度拉伸后的恢复性能

长时间拉伸或超出其固有的可拉伸极限后，弹性体会发生应力松弛甚至撕裂，其本质在于微观结构的破坏。然而，大部分弹性基体没有自恢复性能，因其分子链结构中缺乏有效的自恢复驱动基团。因此，赋予弹性基体此项功能是提高可拉伸电子稳定性和耐用性的关键挑战之一。

针对上述问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所的朱锦研究员团队受肌肉生理功能启发，开发了一种用于可拉伸电子器件的超强韧、热修复以及自愈合的聚氨酯（DA-PU）。该聚氨酯的主链上电子供体（Donor）和电子受体（Acceptor）基团交替分布，实现了分子链内和链间的D-A自组装，使其具有韧性以及自愈合性能。更有趣的是，它可以像人体肌肉一样具有热修复功能。其断裂伸长率为1900%，韧性为175.9 MJ m-3，力学性能非常优异。即使在较大的应变变形或长时间拉伸的情况下，经过60 ℃的热修复，在60 s内几乎可以完全恢复到原始长度。随着温度的升高，该聚氨酯的自愈速度逐渐提高，在60-80 ℃范围内，自愈速度可达1.0-6.15 μm min-1。最后，基于该材料制备了一种自愈合的可拉伸电容式传感器。该器件在复杂环境下甚至在严重损坏后仍然能稳定工作，证明了DA-PU能够大幅度提高电子器件的耐用性和稳定性。相关成果发表在Advanced Functional Materials。论文的第一作者和通讯作者分别为中国科学院宁波材料技术与工程研究所朱锦研究员团队的应邬彬副研究员和张若愚研究员。
图1. 由肌肉生理功能启发，用于可拉伸电子的超强韧、热修复以及自愈合的聚氨酯（DA-PU）。

此前，朱锦团队在可拉伸电子器件的自愈合聚氨酯基体研究中取得一些重要成果（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 11072；Mater. Today Phys. 2020, 14, 100219；Chem. Eng. J. 2021, 410, 128363；Chem. Eng. J. 2020, 10.1016/j.cej.2020.127691）。本项研究则是克服自愈合聚氨酯在复杂环境下的性能不稳定，助推聚氨酯基可拉伸电子器件向实际应用发展。

1、聚氨酯的力学性能评估

DA-PU的化学结构如图2a所示。D和A基团沿聚氨酯链交替分布，它们可以在链内和链间进行自组装，这是其出色力学性能的驱动力。首先，他们比较了D-PU，A-PU，D-PU + A-PU共混样品和DA-PU的典型机械性能（图2b）。由于链内和链间的D-A自组装相互作用，DA-PU向我们展示了更加惊人的机械性能。并且， DA-PU还向我们展示了拉伸过程中优异的抗撕裂和抗刺穿性能（图2c）。作为一种弹性基体，良好的抗撕裂性和抗穿刺性是DA-PU的重要优势，它可以抵抗意外损坏并保持可拉伸电子器件的功能。在1000次不同形变量的循环拉伸测试中，DA-PU表现出惊人的抗疲劳特性（图2d）。即使在其过度拉伸发生永久形变时，加热能够使其恢复原始的D-A自组装，从而恢复至原长（图2e）。这一优势，能够进一步确保可拉伸电子器件的耐用性和稳定性。

图2. DA-PU和D-PU + A-PU的分子设计以及他们在基础拉伸、抗撕裂和刺穿、抗疲劳以及热恢复测试中的优异表现。

2、聚氨酯的自愈合性能评估

将DA-PU样条的中间部分完全切开，然后让其进行自愈合。通过其力学性能恢复的程度来定量分析其自愈合程度。如图3a所示，力学性能随着时间的推移而增加，并可以恢复到原始韧性的97％。为了进一步验证自修复后机械性能的变化，我们对自修复的DA-PU进行了循环拉伸试验，表明了其优异的机械性能恢复性和自愈后的抗疲劳能力（图3b）。随后，DA-PU的自我修复效率也通过在宏观尺度上的重量加载演示进行了表征（图3c）。图3d是DA-PU与最近3年报道的通过各种动态化学基团驱动自愈合的聚氨酯在拉伸性、韧性和自愈合温度方面的比较，表明DA-PU在上述三个方面的显著优势。

图3. DA-PU样条在自愈合不同时间段的应力-应变曲线，自愈合后的循环拉伸试验和宏观展示，以及与其他自愈合聚氨酯的性能对比。

综上所述，受肌肉生理功能的启发，研究者设计并合成了D和A基团沿主链交替分布的聚氨酯（DA-PU），通过D-A自组装，不仅增强了材料的韧性，而且实现了抗疲劳、抗应力松弛、热修复以及自愈合性能。该DA-PU非常适合用作可拉伸电子产品的弹性基体，可以确保电子器件在复杂环境下甚至在严重损坏后仍然能够稳定工作，为今后柔性电子器件的基体开发和应用提供了研究思路和新视角。

特别感谢国家自然科学基金（51773218、52003278）、浙江省自然科学基金（LQ19E030005）、中国科学院青年创新促进会（2018338）对本工作的大力支持，以及宁波材料所博士生郁哲在文章思路、器件设计方面给予的帮助。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202009869

相关进展

免责声明：部分资料来源于网络，转载的目的在于传递更多信息及分享，并不意味着赞同其观点或证实其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时修改或删除。邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多