作為可拉伸顯示和光學電子器件的基本構件之一，透明導電彈性體需要具備優(yōu)異地機械和電學性能。水凝膠材料雖可兼具自修復能力和高透明度，然而惡劣環(huán)境下水分的蒸發(fā)或結晶易導致設備失靈。離子液體/聚合物材料制備的離子凝膠存在離子液體泄漏的風險以及使用大量有機溶劑的弊端，阻礙了實際應用？梢姡瑥椥泽w結構內缺乏有效地可逆動態(tài)鍵，難以制備自主修復的透明導電彈性體。因此，目前亟需一種新的有效策略來制備具有優(yōu)異自修復能力的透明導電彈性體，規(guī)避水凝膠和離子凝膠的弊病。
為解決上述問題，華南理工大學何明輝副研究員和華中科技大學的蘇彬教授在前期開發(fā)的可聚合低共熔溶劑（Polymerizable deep eutectic solvent, PDES）透明導電材料的工作基礎上（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/氯化膽堿（AA/ChCl）PDES中引入植酸（PA），利用體系內存在的高密度氫鍵形成的超分子動態(tài)網(wǎng)絡制備了高透明度（93%）、優(yōu)異拉伸性能（~1300%）、高離子導電性（7.8 ×10?4 S cm?1）和優(yōu)異自修復能力（91.5%效率）的透明導電彈性體Poly(AA/ChCl)-PA（如圖1）。利用該彈性體制造的形變傳感器可用于人體活動監(jiān)測，且修復后的彈性體依然可以正常工作。
圖1. 透明導電彈性體Poly(AA/ChCl)-PA的自修復過程和化學結構
研究人員向ChCl/AA PDES中添加不同比例的PA溶液，利用原位UV光聚合方式制備透明導電彈性體。UV-Vis光譜表征Poly(AA/ChCl)-PA彈性體的光學透過率高達93%，且隨PA添加量增加而提升（圖2a-c）。將彈性體連接入電路測試其電學性能，小燈泡可在彈性體循環(huán)拉伸過程中保持發(fā)光，表明其優(yōu)異的電學性能，且導電性隨PA添加量而提升。
圖2. 導電彈性體Poly(AA/ChCl)-PA的光學和電學性能
使用密度泛函理論（DFT）計算三種分子間作用力（Poly(PDES)與PA；Poly(PDES)分子間；PAA與PA），發(fā)現(xiàn)Poly(PDES)與PA分子間的結合能最低，為-25.8 kacl/mol，實驗上也驗證了導電彈性體Poly(AA/ChCl)-PA體系內的強氫鍵作用力賦予了優(yōu)異的自修復能力，如圖3。
圖3. Poly(PDES)和PA之間多重氫鍵作用的理論計算和實驗驗證
研究人員還探討了PA加入量對Poly(AA/ChCl)-PA彈性體機械性能和自修復性能的影響。通過改變PA的加入量，彈性體聚合物網(wǎng)絡內的氫鍵密度大幅增加，導致機械性能顯著提升。PA加入量為0.05 mol%時拉伸形變最大，達到1300%（圖4a）。通過循環(huán)拉伸和流變性能測試驗證了體系內存在大量的氫鍵（圖4b-c）。多重氫鍵作用賦予了彈性體無需外部刺激的室溫自修復行為（圖4d-f），48小時后的修復效率為91.5%。
圖4. 透明導電彈性體Poly(AA/ChCl)-PA的力學和自修復性能
還研究了彈性體的電學自修復性能，將串聯(lián)進電路的彈性體切斷后重新連接在一起，小燈泡依舊發(fā)光（圖4a）。從修復前后彈性體隨拉伸形變變化的電學數(shù)據(jù)可知，在拉伸形變小于500%時，兩者之間電學性能幾乎沒有區(qū)別（圖4b）。同一位置連續(xù)切斷修復的電學數(shù)據(jù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，電學性能幾乎保持不變，表明了優(yōu)異的電學自修復能力（圖4c）。將彈性體作為應變傳感器用于人體活動監(jiān)測，研究表明無論修復前后，透明導電彈性體均表現(xiàn)出穩(wěn)定的電學信號變化。
圖5. 透明導電彈性體Poly(AA/ChCl)-PA的電學自修復性能及作為形變傳感器
以上相關成果發(fā)表在Chemical Engineering Journal上 (Chem. Eng. J. 2020, 393, 124685)，論文的第一作者為華南理工大學博士生李仁愛，共同第一作者為華南理工大學樊婷副研究員，通訊作者為華南理工大學何明輝副研究員和華中科技大學蘇彬教授。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.124685
