柔性傳感器是可穿戴電子設備的核心部件之一。隨著5G時代的到來，柔性傳感器越來越受到關注。但是，柔性傳感器材料在實際應用過程中面臨環境溫度的制約。例如，當前所報道的彈性體基底材料因具有較低的動態特性使得所組裝傳感器的低溫自愈合性能較差，亟需提升柔性應變傳感器材料在低溫應用環境中的快速自愈合能力。

據報道，近日，中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室研究員王金清課題組在實現室溫快速自愈合聚氨酯彈性體的工作基礎上（ACS Applied Materials & Interfaces， 2019， 11， 7387-7396; Journal of Colloid and Interface Science，2020， 559， 152-161），采用二元協同交聯策略（圖1），首先將甲苯二異氰酸酯封端的聚丙二醇（PPG）引入到改性聚二甲基硅氧烷（PDMS）骨架中，獲得了具有高動態特性的PPG-PDMS配體；隨后，將雙氫鍵和鋅配位鍵引入到PPG-PDMS配體中，成功制備了具有高韌性和低溫快速自愈合能力的PPG-PDMS-Zn超分子彈性體材料。

圖1 低溫下可自愈合的PPG-PDMS-Zn彈性體

該材料在溫度低至-20℃的環境中8小時后的自愈合效率高達98%（圖2），這主要是由于PPG鏈段的引入可以顯著降低聚合物的交聯密度，促使分子鏈快速遷移到斷裂界面進行自愈合，而鋅配位鍵獨特的動態交換特性和氫鍵的低溫抑制解離效應可有效增強聚合物網絡的低溫自愈合能力。將該彈性體材料用于多功能涂層時其表現出優異的防結冰特性。相關工作近期在線發表于Chemical Engineering Journal（2020， 398， 125593）上。

圖2 PPG-PDMS-Zn彈性體在低溫下的自愈合過程

此外，該課題組在三維石墨烯柔性傳感材料設計制備及柔性應變（摩擦）傳感器件組裝方面也取得系列進展。研究人員將氧化石墨烯與導電聚合物、生物質葡甘露聚糖或碳納米管等進行復合，制備了結構長程有序、高導電性和密度可調的三維石墨烯復合材料。利用該類材料所組裝的柔性應變傳感器的靈敏度得到顯著提升，可實現對人類面部表情、脈搏跳動和關節運動等生理信號的實時、精準測量和監控。同時，受人類指尖觸覺傳感功能的啟發，研究人員通過巧妙的傳感陣列設計，組裝得到的摩擦傳感器可對物體表面的粗糙度、硬度等信息進行有效區分和識別（圖3）。系列研究成果發表在Nanoscale（2019， 11， 1159-1168）， ACS Applied Materials & Interfaces（2018， 10， 8180-8189; 2018， 10， 39009-39017）， Journal of Materials Chemistry C（2018， 6， 8717-8725; 2019， 7， 7386-7394; 2019， 7， 9008-9017）和Journal of Physical Chemistry C（2019， 123， 3781-3789）等期刊上。

圖3 模擬人類指尖傳感功能的摩擦傳感器可實現對物體表面粗糙度的檢測

相關研究工作得到國家自然科學基金、蘭州化物所和固體潤滑國家重點實驗室專項等的支持。
責任編輯:pj