近日，中國科學院深圳先進技術研究院集成所神經工程中心李光林研究員、邰艷龍研究員、朱珊珊博士等人，與中國科學技術大學李良彬教授、香港城市大學胡金蓮教授合作，以“Anomalous Thermally Expanded Polymer-Networks for Flexible Perceptual Devices”為題, 在Cell雜志的姊妹期刊 Matter（DOI: 10.1016/j.matt.2021.03.010.）上發表綜述文章。
TOC 基于反常熱膨脹聚合物網絡的柔性感知及交互系統
隨著生物傳感與人工智能及信息技術的集成，熱響應柔性感知材料與器件在面向國家戰略需求的航空航天和軍事工業，特別是近年來興起的電子皮膚、人工肌肉、可穿戴醫療、軟體機器人、混合現實等眾多民用消費電子領域應用前景廣闊。其中，通過聚合物材料反常熱膨脹行為調控的柔性感知器件研究領域取得巨大進展，但仍缺少全面的理解及系統的總結。基于此，該綜述以差異化感知為突破口，提煉出基于熱膨脹聚合物調控策略的正、負、各向異性、可調控和零熱膨脹等系列化、邏輯性、特征感知單元；歸納相應聚合物材料的設計思路及調控機制；系統總結感知單元在2D響應傳感器、3D到4D響應致動器，柔性不敏感器件等交互系統中的應用進展。此工作從單一感知單元到整體感知系統，從微觀材料調控到宏觀器件響應，將對提高此類材料的基本理解和實際應用具有積極指導意義。
圖1 用于柔性感知器件的反常熱膨脹聚合物、感知單元及膨脹機理
高分子材料由于其各尺度結構的變化，包括微觀分子動能、分子間相互作用、構型與構象轉變、相轉變，到宏觀如折紙、剪紙結構的變化等，使其具備差異性熱膨脹行為（從正到負的熱膨脹系數，圖1)。因此，研究不同結構尺度的調控策略(圖2)對理解作用機理、開發新材料和進一步探索應用具有重要意義。
圖2 不同尺度的熱膨脹系數調控目標及調控策略
對于構筑聚合物超正熱膨脹（如超分子聚合物，~ 980 ppm K-1）、負熱膨脹（如具有DBCOD單元的非晶態聚合物，~ -2,350 ppm K-1），眾多策略已被提出且直接關聯柔性感知（傳感與致動）。然而，在某些特殊條件下要求材料的尺寸/性質變化與周圍環境及時適配，此時，可調控熱膨脹行為被認為更重要。特別針對太空儀器、精密光學器件或柔性襯底等，具有大熱膨脹系數的材料會產生危害，而具有零熱膨脹性質的材料被重點提煉出（圖3）。
圖3. 聚合物可調控及零熱膨脹
鑒于以策略調控出發新興領域的出現，對聚合物網絡反常熱膨脹（微觀尺度）的研究大大推動了柔性感知與交互器件（宏觀尺度）的發展。然而，在聚合物超材料上還需更全面、更深入的工作，拉近科學實驗與實際應用間的距離（圖4）。這些典型策略及其應用都將為新材料的出現打開窗口。
圖4. 聚合物反常熱膨脹感知單元及其應用總結與展望
該工作得到了國家自然科學基金、中國科學院海外人才項目，深圳市科技計劃、深圳先進院創新基金等資助。
全文鏈接 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S259023852100117X?dgcid=coauthor
下載：Anomalous Thermally Expanded Polymer-Networks for Flexible Perceptual Devices
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