李光林、李良彬、胡金莲、邰艳龙《Matter》综述：反常热膨胀聚合物感知材料与交互器件

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近日，中国科学院深圳先进技术研究院集成所神经工程中心李光林研究员、邰艳龙研究员、朱珊珊博士等人，与中国科学技术大学李良彬教授、香港城市大学胡金莲教授合作，以“Anomalous Thermally Expanded Polymer-Networks for Flexible Perceptual Devices”为题, 在Cell杂志的姊妹期刊 Matter（DOI: 10.1016/j.matt.2021.03.010.）上发表综述文章。

TOC 基于反常热膨胀聚合物网络的柔性感知及交互系统

随着生物传感与人工智能及信息技术的集成，热响应柔性感知材料与器件在面向国家战略需求的航空航天和军事工业，特别是近年来兴起的电子皮肤、人工肌肉、可穿戴医疗、软体机器人、混合现实等众多民用消费电子领域应用前景广阔。其中，通过聚合物材料反常热膨胀行为调控的柔性感知器件研究领域取得巨大进展，但仍缺少全面的理解及系统的总结。基于此，该综述以差异化感知为突破口，提炼出基于热膨胀聚合物调控策略的正、负、各向异性、可调控和零热膨胀等系列化、逻辑性、特征感知单元；归纳相应聚合物材料的设计思路及调控机制；系统总结感知单元在2D响应传感器、3D到4D响应致动器，柔性不敏感器件等交互系统中的应用进展。此工作从单一感知单元到整体感知系统，从微观材料调控到宏观器件响应，将对提高此类材料的基本理解和实际应用具有积极指导意义。

图1 用于柔性感知器件的反常热膨胀聚合物、感知单元及膨胀机理

高分子材料由于其各尺度结构的变化，包括微观分子动能、分子间相互作用、构型与构象转变、相转变，到宏观如折纸、剪纸结构的变化等，使其具备差异性热膨胀行为（从正到负的热膨胀系数，图1)。因此，研究不同结构尺度的调控策略(图2)对理解作用机理、开发新材料和进一步探索应用具有重要意义。

图2 不同尺度的热膨胀系数调控目标及调控策略

对于构筑聚合物超正热膨胀（如超分子聚合物，~ 980 ppm K^-1）、负热膨胀（如具有DBCOD单元的非晶态聚合物，~ -2,350 ppm K^-1），众多策略已被提出且直接关联柔性感知（传感与致动）。然而，在某些特殊条件下要求材料的尺寸/性质变化与周围环境及时适配，此时，可调控热膨胀行为被认为更重要。特别针对太空仪器、精密光学器件或柔性衬底等，具有大热膨胀系数的材料会产生危害，而具有零热膨胀性质的材料被重点提炼出（图3）。

图3. 聚合物可调控及零热膨胀

鉴于以策略调控出发新兴领域的出现，对聚合物网络反常热膨胀（微观尺度）的研究大大推动了柔性感知与交互器件（宏观尺度）的发展。然而，在聚合物超材料上还需更全面、更深入的工作，拉近科学实验与实际应用间的距离（图4）。这些典型策略及其应用都将为新材料的出现打开窗口。

图4. 聚合物反常热膨胀感知单元及其应用总结与展望

该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院海外人才项目，深圳市科技计划、深圳先进院创新基金等资助。

全文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S259023852100117X?dgcid=coauthor

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