仿生離子皮膚材料成功模擬了人體皮膚的離子感知、可拉伸、彈性、自修復(fù)等諸多特性，在人機(jī)交互、柔性電子、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，F(xiàn)階段，離子皮膚的自修復(fù)和離子導(dǎo)電特性可通過(guò)富含離子的超分子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然而如何進(jìn)一步優(yōu)化離子皮膚的力學(xué)耐受性逐漸成為該領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。
東華大學(xué)武培怡-孫勝童研究團(tuán)隊(duì)近年來(lái)致力于通過(guò)多級(jí)黏彈網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)高力學(xué)耐受的離子皮膚材料：（1）基于兩性離子超分子競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)了應(yīng)變硬化自修復(fù)離子皮膚，提高了材料抵抗拉伸斷裂的耐受性（Nat. Commun. 2021, 12, 4082）；（2）模擬真實(shí)皮膚的可修復(fù)納米纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過(guò)高模量聚氨酯納米纖維網(wǎng)與低模量離子導(dǎo)電基質(zhì)復(fù)合，提升了離子皮膚抵抗循環(huán)裂紋擴(kuò)展的疲勞耐受性（Nat. Commun. 2022, 13, 4411）；（3）基于熵驅(qū)動(dòng)的聚丙烯酸-礦物納米簇可逆物理吸附相互作用，制備了可強(qiáng)烈熱致硬化的離子導(dǎo)電水凝膠，提升了材料抵抗高溫破壞的力學(xué)耐受性（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202204960）。
除此之外，沖擊或撞擊引發(fā)的低頻震蕩（0.1-50 Hz）也是一種極為重要的力學(xué)破壞形式。如不能利用阻尼系統(tǒng)加以保護(hù)，震蕩波往往會(huì)對(duì)軟體仿生機(jī)器人內(nèi)部脆弱的元器件造成致命傷害。然而，現(xiàn)有的離子皮膚甚至更廣泛意義上的彈性體材料，很難兼顧自修復(fù)性、彈性和震蕩阻尼這三種性能。這是因?yàn)，高彈性回?fù)往往要求分子鏈摩擦較低，而高阻尼要求分子鏈摩擦較大以產(chǎn)生熱內(nèi)耗，這二者從分子設(shè)計(jì)上近乎是矛盾的。
受脂肪組織二元復(fù)合結(jié)構(gòu)啟發(fā)，該研究團(tuán)隊(duì)近期開(kāi)發(fā)了一種兼有高阻尼、高回彈及自修復(fù)性能的離子皮膚材料。作者巧妙地篩選出可自發(fā)相分離的粘滯性含氟共聚物這一體系以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體脂肪組織的仿生構(gòu)筑。其中，短側(cè)基含氟單體（TFEA）聚合后為低Tg聚合物，可產(chǎn)生高效鏈纏結(jié)，而長(zhǎng)側(cè)基含氟單體（PFOEA）聚合后可形成剛性側(cè)基的頭對(duì)頭近晶組裝，從而產(chǎn)生強(qiáng)分子鏈摩擦及粘滯阻力。在LiTFSI存在下，二者共聚可發(fā)生原位相分離，得到富含PPFOEA的高阻尼納米相（模擬粘性脂肪細(xì)胞）及富含PTFEA的彈性基體（模擬細(xì)胞外基質(zhì)）。與以往離子皮膚主要工作在流變彈性區(qū)不同，這一離子皮膚主要工作在流變耗散區(qū)（玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)），從而在人體運(yùn)動(dòng)頻率范圍（0.1-50 Hz）內(nèi)產(chǎn)生超高阻尼系數(shù)（tan δ均大于 1）。此外，該離子皮膚兼具高拉伸（21倍伸長(zhǎng)）、柔性、應(yīng)變硬化、高力學(xué)回彈、室溫自修復(fù)及完全可回收等優(yōu)異的綜合性能。
圖1. 高阻尼自修復(fù)離子皮膚的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖2. 高阻尼離子皮膚的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)表征
圖3. 高阻尼離子皮膚的二維相關(guān)紅外光譜表征
圖4. 高阻尼離子皮膚的能量耗散、彈性回復(fù)、自修復(fù)和可回收性
以上研究成果近期以“Highly Damping and Self-Healable Ionic Elastomer from Dynamic Phase Separation of Sticky Fluorinated Polymers”為題，發(fā)表在《Advanced Materials》（DOI: 10.1002/adma.202209581）上。東華大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院碩士研究生向淮為文章第一作者，孫勝童研究員和武培怡教授為論文共同通訊作者。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202209581
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