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  導(dǎo)電彈性體（Conductive elastomers, CEs）廣泛應(yīng)用于傳感器、柔性電極、可穿戴設(shè)備等各種柔性可拉伸電子器件，推動(dòng)人類(lèi)社會(huì)的智能化發(fā)展。但由于彈性聚合物通常是由線(xiàn)性高分子鏈交聯(lián)形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，力學(xué)強(qiáng)度高的材料往往伸長(zhǎng)率較低，故難以兼顧力學(xué)強(qiáng)度和拉伸性能。此外，大多數(shù)CEs存在不透明、無(wú)法本征導(dǎo)電或制備復(fù)雜等問(wèn)題，限制了CEs的實(shí)際應(yīng)用。

  為解決上述問(wèn)題，華南理工大學(xué)何明輝副研究員在前期開(kāi)發(fā)的可聚合低共熔溶劑（polymerizable deep eutectic solvent, PDES）透明導(dǎo)電材料的基礎(chǔ)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; Chem. Mater., 2020, 32, 874; J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 5056.），設(shè)計(jì)了高氫鍵結(jié)合強(qiáng)度的PDES單體，氫鍵受體為四甲基氯化銨，氫鍵供體為丙烯酸，高氫鍵密度的植酸為氫鍵交聯(lián)劑，氫鍵締合后形成四甲基氯化銨-丙烯酸-植酸型PDES單體；通過(guò)快速高效的原位光聚合，制作具有高機(jī)械強(qiáng)度（31.21MPa）和優(yōu)良拉伸性能（3645%）的導(dǎo)電彈性體（如圖1）。該彈性體還表現(xiàn)出優(yōu)異的透明度(>94%，圖2)、良好的電導(dǎo)率(0.007-0.04 S/m)和快速的自愈合能力(0.26秒電學(xué)修復(fù)效率達(dá)99%)。

圖1. 高機(jī)械強(qiáng)度透明導(dǎo)電彈性體的設(shè)計(jì)理念。

圖2. 高機(jī)械強(qiáng)度透明導(dǎo)電彈性體的光學(xué)性能和力學(xué)性能。

  如圖3（a-c）所示，制得的彈性體具有優(yōu)異的機(jī)械性能。其中，不含植酸的CE的抗拉強(qiáng)度高達(dá)82 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率僅為22%；當(dāng)植酸用量調(diào)至15 wt.%時(shí)，應(yīng)力為4.39MPa，應(yīng)變高達(dá)6100%。植酸用量升為10 wt.%時(shí)，拉伸應(yīng)力為31 MPa，應(yīng)變高達(dá)3645%，有效平衡了拉伸應(yīng)力和應(yīng)變之間的矛盾。如圖3（d-e）所示，研究人員還使用密度泛函理論（Density functional theory， DFT）研究了各組分的結(jié)合能。計(jì)算結(jié)果表明，在加入植酸后，四甲基氯化銨-丙烯酸-植酸PDES具有較低的結(jié)合能，結(jié)合強(qiáng)度更高。經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)對(duì)比（圖3（f-g）），植酸的用量為10 wt.%時(shí)的彈性體，具有超高的韌性（615 MJ*m^?3）。

圖3. 高機(jī)械強(qiáng)度透明導(dǎo)電彈性體的力學(xué)性能。

  如圖4所示，彈性體還具有良好的電學(xué)自修復(fù)性能，切斷后僅需0.26 s即可恢復(fù)到初始電阻的99%（圖4（a-c））。如圖4（d）所示，室溫修復(fù)24 h后裂縫逐漸消失，修復(fù)前后的彎手指電學(xué)信號(hào)響應(yīng)幾乎沒(méi)有差別（圖4（e-g））。

圖4. 高機(jī)械強(qiáng)度透明導(dǎo)電彈性體的自修復(fù)性能。

  為了進(jìn)一步驗(yàn)證導(dǎo)電彈性體在柔性電子中應(yīng)用的可行性，研究人員將其組裝為檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的傳感器件（圖5（a））。如圖5（b-g）所示，彈性體既可監(jiān)測(cè)人體較大幅度的運(yùn)動(dòng)（如站立、行走和跑跳等），也可以監(jiān)測(cè)人體關(guān)節(jié)處的細(xì)小彎曲（手指關(guān)節(jié)和肘部關(guān)機(jī)等），并具有十分靈敏的響應(yīng)速度（圖5（f））和優(yōu)異的耐久性（圖5（g））。

圖5. 高機(jī)械強(qiáng)度透明導(dǎo)電彈性體的應(yīng)用。

  以上相關(guān)成果以“ Polymerizable deep eutectic solvent-based mechanically strong and ultra-stretchable conductive elastomers for detecting human motions”為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A上。論文的第一作者為華南理工大學(xué)博士生張凱麗，通訊作者為華南理工大學(xué)何明輝副研究員。

  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2021/ta/d0ta11508h