南理工傅佳骏/南林徐建华Nat. Commun.：仿生平滑肌结构设计高抗撕裂柔性自修复可拉伸电容传感器
日期：2023-01-29
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61 评论：0 核心提示：柔性聚合物材料在可穿戴电子设备、软机器人和生物医学设备等应用中备受关注。为了延长柔性材料使用寿命并保护其在动态应用环境中
柔性聚合物材料在可穿戴电子设备、软机器人和生物医学设备等应用中备受关注。为了延长柔性材料使用寿命并保护其在动态应用环境中不受磨损，已有大量工作致力于开发柔性自修复材料。由于非共价相互作用的键能较低，基于可逆非共价相互作用制备的柔性自修复材料断裂韧性普遍较低，通常在0.1-1.0 kJ
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或更小范围。上述内在的分子设计矛盾导致存在微裂纹的柔性自修复材料在变形过程中很容易断裂，从而降低、甚至剥夺基于柔性自修复材料集成的可拉伸设备的操作稳定性。针对上述问题，科研工作者尝试了很多策略在不同尺度下对柔性自修复材料进行增韧，包括：在柔性聚合物网络中引入共价交联中心，利用刚性聚合物构建微纳相分离结构，或者将刚性填料嵌入柔性聚合物基质中来转移局部应力。然而，上述策略都会不可避免暗地牺牲材料的柔性。
生物体内的平滑肌组织兼具良好的柔性和韧性。分析可知，具有核-壳结构的平滑肌细胞是其具有柔韧性的核心因素。在应力变形过程中，由肌丝构成的刚性壳层可增加裂纹尖端附近的能量耗散；同时，内核固有的液体特性也可使裂纹在扩展期间钝化、偏转甚至垂直消除裂纹；两者协同作用赋予了平滑肌高韧性。此外，由于液体细胞基质的模量几乎为零，因此不会增加平滑肌组织的硬度。受此启发，本文作者巧妙地
将液体金属植入到柔性自修复聚氨酯基体中，成功构建了仿平滑肌结构的高抗撕裂柔性自修复材料，并结合材料高介电特性的开发了高灵敏度的可拉伸柔性电容传感器。
基于前期工作
(Mater. Horiz
.
2021
,
8
, 3356.)，该团队首先采取打破结晶、激活硬相氢键的策略成功制备了柔性自修复聚脲，随后利用机械剪切诱导取向的策略向其中引入核壳结构的纺锤形液态金属微米颗粒；这种颗粒外壳为刚性金属氧化物，内核为在室温下维持液态性质的镓铟锡合金，刚性氧化物壳的形成解决了液态金属颗粒易团聚的难题，同时氧化壳与聚脲的配位作用也保证颗粒能稳定、均匀地分散在聚脲基体中，从而成功地构建了柔韧的仿生材料。
类似于平滑肌细胞，当该仿生材料遭受损伤时，金属氧化物外壳的破裂及氧化外壳与聚氨酯的配位作用的破坏均能带来机械能耗散，而液态内核能够使应变过程中裂纹偏转并最终消除垂直于应变方向的裂纹，从而赋予材料优异的抗撕裂性能和断裂韧性。基于这种独特的结构设计，能够突破理论极限，使得柔性聚脲的断裂能提高到34.9倍，达到111.16 kJ
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，临界断裂应变提高到12.2倍。值得注意的是，受到不同程度损伤的SSPUGIT甚至能维持与完好样品相同的断裂应变，这在柔性材料中是极为罕见的。
上述性质与材料断裂行为的改变密不可分。作者通过SEM监测了预缺口试样加载时裂纹尖端周围的裂纹演化来研究仿生材料的断裂行为和增韧机制。对于初始聚脲样品，其缺口裂纹很容易在水平方向上迅速扩展并穿过整个样品，形成光滑断面。相反，当仿生复合材料中的裂纹前进并触及到伸长的液态金属颗粒时，氧化壳首先断裂耗能，暴露出的液态金属内核并使其与聚脲基体接触；由于聚脲与液态金属内核的相互作用弱于SSPU基体内聚能，裂纹倾向于沿液态金属颗粒与聚脲的界面扩展，导致裂纹的纵向偏转直至达到仿生复合材料的上下两端，从而提高了临界断裂应变和断裂能。
液态金属颗粒的引入还为仿生材料带来了优越的光热修复功能。入射光线在数量众多、尺寸分布范围光的液态金属颗粒的粗糙氧化壳上反复反射吸收，在宽波段范围内几乎完全被吸收；通过液态金属氧化壳的表面等离子共振效应，吸收的光被高效的转化为热，使近红外光照射的区域温度迅速升高。通过对待修复区域照射近红外线，仿生材料能在1 min内实现98.13%的高修复效率。
同时，液态金属颗粒还可以极大提高柔性聚脲的介电性能并保证了材料的柔性，这种低模量-高介电常数的性能组合使得仿生复合材料可用于开发可拉伸电容传感器。开发的柔性电容传感器不仅拥有更低的检测下限，同时具有高断裂韧性和光控修复性能。基于上述特性，该柔性传感器可用于检测乒乓球训练中的运动员的击球是否符合要求帮助纠正运动员错误的接球动作。
相关研究成果发表在
Nature Communications
期刊上，论文第一作者为南京理工大学化学与化工学院
孙扶瑶
博士，南京林业大学青年教师
徐建华
、南京理工大学
傅佳骏
教授为通讯作者，
刘龙飞、柳童、王学宾、齐琦、杭祖圣
教授、
陈恺
副教授等为实验操作、分析讨论做出重要贡献。
Vascular smooth muscle-inspired architecture enables soft yet tough self-healing materials for durable capac
itive strain-sensor
FuYao Sun, LongFei Liu, Tong Liu, XueBin Wang, Qi Qi, ZuSheng Hang, Kai Chen, JianHua Xu & JiaJun Fu
Nat. Commun
.,
2023
,
14
, 130, DOI: 10.1038/s41467-023-35810-y
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