隨著柔性可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展，人們對材料的抗物理破壞性以及使用壽命等提出了更高的要求。具有自修復(fù)性的智能化器件有望解決這個問題。彈性聚合物基底材料是可拉伸器件的主要組成部分，設(shè)計并制備具有彈性自修復(fù)的基底材料是實現(xiàn)自修復(fù)可拉伸器件的重要手段。然而目前報道的可室溫自修復(fù)的材料彈性性能較差，如何實現(xiàn)基體材料和導(dǎo)電體的良好自修復(fù)性能，并保證其組合體具有良好的拉伸性能成為了一大挑戰(zhàn)。
最近，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院賈敘東教授課題組和斯坦福大學(xué)鮑哲南教授課題組在《先進(jìn)材料》合作發(fā)表了題為“ Elastic Autonomous Self-healing Capacitive Sensor based on a Dynamic Dual Crosslinked Chemical System”的文章。南京大學(xué)張秋紅副研究員、斯坦福大學(xué)牛思淼博士以及南京大學(xué)碩士王麗為本文的共同第一作者。
此前，張秋紅副研究員與其他研究人員合作，利用四重氫鍵（UPy）作為動態(tài)交聯(lián)中心引入聚氨酯體系，制備出可拉伸170,00%且可在室溫修復(fù)的材料，但該類材料具有比較大的遲滯，彈性回復(fù)性能不理想（JACS，2018, 140, 5280–5289）。
為實現(xiàn)彈性和室溫自修復(fù)兼具的目標(biāo)，研究人員采用了結(jié)合能較強的姜黃素-銪離子動態(tài)金屬配位鍵與結(jié)合能較弱的動態(tài)氫鍵復(fù)合的概念，在聚合物體系中形成了雙重動態(tài)交聯(lián)并且具有微相分離結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)了兼具彈性性能和高效自修復(fù)性能的彈性體材料。所制備材料的拉伸斷裂強度可達(dá)1.8 MPa，斷裂形變~900%；材料在拉伸500%之后，30 min內(nèi)能恢復(fù)到原始狀態(tài)。同時受損材料在25 °C修復(fù)48 h后可達(dá)到98%的修復(fù)效率。
研究人員利用該自修復(fù)材料與銀片進(jìn)行復(fù)合，制備出具有自修復(fù)能力的導(dǎo)體，并進(jìn)一步將這些導(dǎo)體印刷到自修復(fù)彈性體的表層和底層，形成如上圖所示的3×3陣列的九個小電容器。通過微處理器將每個點陣的信號收集處理并加以編程，最終實現(xiàn)密碼解鎖功能。為驗證器件的自修復(fù)性，將觸屏電容傳感器切割并再次拼接后，即便在拉伸80%的條件下仍舊能夠?qū)崿F(xiàn)密碼解鎖功能。
本項研究得到了國家自然科學(xué)基金（21404056），國家留學(xué)基金（201606195042），以及中央高？蒲袠I(yè)務(wù)費的資助。高性能高分子材料與技術(shù)教育部重點實驗室以及配位化學(xué)國家重點實驗室在本項目研究中給予了大力支持。此外，南京大學(xué)李承輝副教授和劉春根教授參與了本文的討論并給出建議。
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