南理工傅佳駿/南林徐建華《Nat. Commun.》：仿生平滑肌結構設計高抗撕裂柔性自修復可拉伸電容傳感器
2023-01-15 來源：高分子科技
柔性聚合物材料在可穿戴電子設備、軟機器人和生物醫學設備等應用中備受關注。為了延長柔性材料使用壽命并保護其在動態應用環境中不受磨損，已有大量工作致力于開發柔性自修復材料。由于非共價相互作用的鍵能較低，基于可逆非共價相互作用制備的柔性自修復材料斷裂韌性普遍較低，通常在0.1-1.0 kJ m?2或更小范圍。上述內在的分子設計矛盾導致存在微裂紋的柔性自修復材料在變形過程中很容易斷裂，從而降低、甚至剝奪基于柔性自修復材料集成的可拉伸設備的操作穩定性。針對上述問題，科研工作者嘗試了很多策略在不同尺度下對柔性自修復材料進行增韌，包括：在柔性聚合物網絡中引入共價交聯中心，利用剛性聚合物構建微納相分離結構，或者將剛性填料嵌入柔性聚合物基質中來轉移局部應力。然而，上述策略都會不可避免暗地犧牲材料的柔性。
基于前期工作(Mater. Horiz. 2021, 8, 3356.)，團隊首先采取打破結晶、激活硬相氫鍵的策略成功制備了柔性自修復聚脲，隨后利用機械剪切誘導取向的策略向其中引入核殼結構的紡錘形液態金屬微米顆粒；這種顆粒外殼為剛性金屬氧化物，內核為在室溫下維持液態性質的鎵銦錫合金，剛性氧化物殼的形成解決了液態金屬顆粒易團聚的難題，同時氧化殼與聚脲的配位作用也保證顆粒能穩定、均勻地分散在聚脲基體中，從而成功地構建了柔韌的仿生材料。
類似于平滑肌細胞，當該仿生材料遭受損傷時，金屬氧化物外殼的破裂及氧化外殼與聚氨酯的配位作用的破壞均能帶來機械能耗散，而液態內核能夠使應變過程中裂紋偏轉并最終消除垂直于應變方向的裂紋，從而賦予材料優異的抗撕裂性能和斷裂韌性。基于這種獨特的結構設計，能夠突破理論極限，使得柔性聚脲的斷裂能提高到34.9倍，達到111.16 kJ m-2，臨界斷裂應變提高到12.2倍。值得注意的是，受到不同程度損傷的SSPUGIT甚至能維持與完好樣品相同的斷裂應變，這在柔性材料中是極為罕見的。
上述性質與材料斷裂行為的改變密不可分。作者通過SEM監測了預缺口試樣加載時裂紋尖端周圍的裂紋演化來研究仿生材料的斷裂行為和增韌機制。對于初始聚脲樣品，其缺口裂紋很容易在水平方向上迅速擴展并穿過整個樣品，形成光滑斷面。相反，當仿生復合材料中的裂紋前進并觸及到伸長的液態金屬顆粒時，氧化殼首先斷裂耗能，暴露出的液態金屬內核并使其與聚脲基體接觸；由于聚脲與液態金屬內核的相互作用弱于SSPU基體內聚能，裂紋傾向于沿液態金屬顆粒與聚脲的界面擴展，導致裂紋的縱向偏轉直至達到仿生復合材料的上下兩端，從而提高了臨界斷裂應變和斷裂能。
液態金屬顆粒的引入還為仿生材料帶來了優越的光熱修復功能。入射光線在數量眾多、尺寸分布范圍光的液態金屬顆粒的粗糙氧化殼上反復反射吸收，在寬波段范圍內幾乎完全被吸收；通過液態金屬氧化殼的表面等離子共振效應，吸收的光被高效的轉化為熱，使近紅外光照射的區域溫度迅速升高。通過對待修復區域照射近紅外線，仿生材料能在1min內實現98.13%的高修復效率。
同時，液態金屬顆粒還可以極大提高柔性聚脲的介電性能并保證了材料的柔性，這種低模量-高介電常數的性能組合使得仿生復合材料可用于開發可拉伸電容傳感器。開發的柔性電容傳感器不僅擁有更低的檢測下限，同時具有高斷裂韌性和光控修復性能。基于上述特性，該柔性傳感器可用于檢測乒乓球訓練中的運動員的擊球是否符合要求幫助糾正運動員錯誤的接球動作。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-35810-y
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（責任編輯：xu）
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