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天津大學張雷教授/楊靜副教授 JACS：-78℃下自愈的電子皮膚 - 具極地探索的應用潛力

2024-03-24 來源：高分子科技

極地探索可以幫助人類了解氣候變化、冰川動態、海洋生態和極地生物，還可以引領人類發現遠古建筑和先進文明。人類從未停止過對極地這片地球最極端寒冷地區的探索，美國國家科學基金會每年會向極地項目投資約5億美元用于發現極地的各種資源。極低溫環境是極地探索最主要的挑戰之一，南極和北極的年平均氣溫在-49°C至-31.4°C之間，北極的最低氣溫可低至-78°C，這為極地探險者的生命安全帶來了極大的風險。為此，極地機器人的研發對減小探險人員的傷亡，對人類開發未知危險地帶有著重要的意義。

電子皮膚（e-skins）可以賦予機器人“觸覺“，顯著提升機器人的智能程度。然而開發可用于超低溫環境的電子皮膚具有極大的挑戰性，因為常用的彈性基底和電子墨水在極低溫度下無法保持柔韌性、導電性、或其他先進性能（如自愈能力）。目前，沒有相關研究報道過用于超低溫使用的電子皮膚。迫切需要設計出在超低溫下具有可拉伸、自愈以及高靈敏的柔性電子皮膚來填補該領域的這一空白。

近日，天津大學化工學院張雷、楊靜團隊在化學領域國際頂級期刊《JACS》（IF=15）上發表了題為“Highly stretchable, self-healing, and sensitive e-skins at ?78^oC for polar exploration”的研究論文，首次開發了一種柔性電子皮膚材料，在-78℃下仍具有很好的拉伸、自愈、和靈敏性。天津大學化工學院博士研究生楊凱、青年教師李慶斯和博士畢業生田澍為論文的共同第一作者。張雷教授和楊靜副教授為通訊作者，第一單位為天津大學化工學院，合作單位為濱州魏橋國科高等技術研究院和中國科學院寧波材料所，該研究得到了國家自然科學基金基金面上項目和聯合基金項目的支持。

圖1. 超分子彈性體材料設計及極地探索潛在應用

作者設計了一類基于PDMS的超分子彈性體，通過向彈性體側鏈中引入四重氫鍵單元（UPy）使其具有極低的玻璃化轉變溫度T_g（?127°C）和脆化溫度T_b（?150°C），并且賦予材料快速可逆動態組裝性能。作者系統研究彈性體拉伸、愈合性能的構效關系機制，創制了基于-78℃下可自愈、高拉伸的彈性體制備襯底材料和電子墨水，構建了可用于超低溫環境的柔性電子皮膚。這種電子皮膚包覆在機器人手掌上可以在-78℃的條件下準確地感應不同的壓力，識別物體的形狀和特定的符號。最重要的是，在-78°C下損傷后電子皮膚的傳感能力可以實現完全恢復。

圖2. 超分子彈性體拉伸性能及機制

首先，探究了彈性體在-78℃的機械性能，結果顯示，與沒有引入四重氫鍵Upy的P-D材料相比，UPy顯著增強了彈性體在-78℃下的韌性。此外，四重氫鍵在側鏈的彈性體（S-UD）表現出比在主鏈的彈性體（M-UD）更高的拉伸性能，表明Upy的位置顯著影響彈性體的力學性能。通過密度泛函理論（DFT）計算了S-UD和M-UD在拉伸到斷裂過程中的結合能變化（?E）。結果顯示，S-UD和M-UD拉伸過程的 |?E |分別為0.197和0.703 eV，這表明S-UD中四重氫鍵更容易斷裂/重建。這是由于S-UD彈性體在初始拉伸過程中主鏈中的氫鍵提供了應力集中位點，而纏結的側鏈上的四重氫鍵仍處于松弛狀態；經過進一步拉伸， S-UD的側鏈逐漸展開，松弛的四重氫鍵開始承受拉伸應力，表現為更高的可拉伸性。

圖3. 超分子彈性體的-78℃下自愈性能與機制

隨后，表征了彈性體自愈合性能。?78°C下，S-UD表面劃痕幾乎完全消失，而修復24h的自愈合效率為~75.9%，顯著高于M-UD彈性體（~34.3%），表明S-UD相比于M-UD具有更好的低溫自愈合性能。DFT計算表明，S-UD在分子鏈不同角度的愈合所需能量，相較于M-UD更低。與近年來報道的低溫自愈合彈性體相比，S-UD在-78°C下表現出獨特的高拉伸性和自愈合性能。目前還沒有相關研究報道過彈性體能夠在-50°C以下實現自愈合。

圖4. 基于超分子彈性體構建柔性傳感器

進一步，以S-UD為柔性襯底，在S-UD彈性體溶液中加入液態金屬EGaIn和銀片粉作為電子墨水，并調試優化不同的配比，制備出柔性可自愈的導體材料SUD-Ega-SFP，其在?78°C電導率可高達~1.35×10⁴ S/m。基于新彈性體襯底與導體材料，構建電容式柔性傳感器，對壓力和應變均具有高度靈敏響應性能，可區分彎曲、平面等不同表面。此外，該傳感器在-78℃下具有優異的自愈合性能，自愈后器件的傳感信號與原始器件一致。

圖5. 構建-78°C下自愈合的電子皮膚，具極地探索的應用潛力

為了證明新型柔性傳感器探索極地地區未知物質的潛力，研究人員設計了一個應用在機器手掌的 12×12 的電子皮膚傳感器矩陣以及應用在機器手指上的 1×2 個電子皮膚矩陣。在?78°C下，手掌上電子皮膚矩陣可以通過響應不同的電子信號對不同的形狀進行感知，從而識別未知物質的3D結構。使用機械手指上的電子皮膚矩陣識別了具有6個響應位點的盲文字母，展現出其能夠應用于探索未知符號的潛力。

通訊作者簡介

張雷，天津大學化工學院生物化工系教授、系主任、博士生導師，國家自然科學基金優秀青年基金獲得者。主要研究方向包括生物化工與合成生物學、細胞/器官保存、抗冰涂料、功能材料等。已在Nature Biotechnology, Nature Communications, JACS, Angew, Chemical Reviews, AIChE Journal, Research, Engineering等期刊發表論文100多篇。

楊靜，天津大學化工學院副教授、博士生導師。主持國家級重點項目、國家自然科學基金、天津市基金、教育部博士后基金等項目。主要研究方向為細胞保存、仿皮膚材料、合成生物學等。已在Nature Communications, JACS，Advanced Functional Materials, Chemical Reviews, AIChE Journal等刊物發表第一作者/通訊作者SCI論文近40篇。

論文信息：Highly stretchable, self-healing, and sensitive e-skins at ?78^oC for polar exploration. Kai Yang?, Qingsi Li?, Shu Tian?, Jiancheng Wang, Guangming Lu, Hongshuang Guo, Sijia Xu, Lei Zhang*, Jing Yang*

JACS, 2024, DOI: doi.org/10.1021/jacs.4c00541

全文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c00541

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（責任編輯：xu）

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