柔性自愈材料具有良好的適應(yīng)性、可擴(kuò)展性和自恢復(fù)性,可以避免運(yùn)動(dòng)過程中損傷的不利影響,確保穩(wěn)定的實(shí)時(shí)能量收集和精確的信號(hào)感知,是可穿戴電源或傳感器設(shè)備的理想基材。然而,受到多種動(dòng)態(tài)鍵的限制,這些材料往往需要熱、壓、光等外部刺激來觸發(fā)愈合過程,且在適應(yīng)惡劣環(huán)境方面面臨挑戰(zhàn),如在低溫、水下條件或過冷的鹽水中水分子會(huì)干擾動(dòng)態(tài)鍵的重組。另外,動(dòng)態(tài)鍵系統(tǒng)內(nèi)在的分子設(shè)計(jì)矛盾導(dǎo)
近日,王雙飛院士團(tuán)隊(duì)基于高流動(dòng)性和導(dǎo)電性的液態(tài)金屬(LM),通過超分子界面組裝策略將其融入富含多重動(dòng)態(tài)鍵的聚二甲基硅氧烷(PDMS)中,制備了具有超高延展性(12000%)和顯著自愈合性能(~25℃,30min)的摩擦電材料(100V, 0.81W/m2),且能夠在極端環(huán)境下(-20℃,近紅外,水下)保持優(yōu)異的自愈能力。這項(xiàng)成果以題為“Liquid Metal-Promoted Supramolecular Interactions Enable Ultrafast Self-Healing Triboelectric Materials with High Performance at Room Temperature”發(fā)表在《Nano Letters》上。2021級(jí)碩士生彭偉卿為本文第一作者,段青山副教授為通訊作者。張葉、章志君、趙輝、黃浩河、趙佳敏、程炳旭、何娟霞、許貝、尚柏均、聶雙喜教授等參與研究。
1.自愈超分子復(fù)合摩擦電材料設(shè)計(jì)策略
本研究提出了一種超分子界面組裝策略,實(shí)現(xiàn)了由微納LM液滴均勻嵌入可逆的微相分離共價(jià)網(wǎng)絡(luò)和非共價(jià)網(wǎng)絡(luò)組成的復(fù)合材料(SLM-PDMS)。其中,含有多重動(dòng)態(tài)鍵的PDMS(S-PDMS)為骨架,LM為柔性導(dǎo)電填料。得益于S-PDMS中豐富的脲基,LM通過界面相互作用進(jìn)入S-PDMS的超分子網(wǎng)絡(luò)中。該體系中的硅氧烷鏈段具有無定形結(jié)構(gòu),有利于氫鍵、亞胺鍵、二硫鍵和金屬鍵的動(dòng)態(tài)重整;二硫鍵和金屬鍵促進(jìn)材料的室溫自愈過程,亞胺鍵賦予了材料在多種環(huán)境下的自愈能力,氫鍵和金屬鍵通過可逆鍵斷裂和重整耗散應(yīng)變能。此外,LM促進(jìn)了摩擦起電過程,賦予高效電輸出。值得注意的是,多個(gè)動(dòng)態(tài)鍵的協(xié)同作用使材料在柔韌性、延展性、摩擦電性能和自愈能力方面達(dá)到了良好的平衡。
2.自愈超分子復(fù)合摩擦電材料的制備在多層次結(jié)構(gòu)LM-超分子復(fù)合材料的自組裝過程中,微納LM液滴通過表面氧化層(Ga2O3)均勻嵌入到S-PDMS中。變溫紅外等測試表明S-PDMS和Ga2O3殼層之間存在界面相互作用,這對(duì)于改善界面相容性制備均勻穩(wěn)定的復(fù)合材料至關(guān)重要。
3.自愈與拉伸性能探究
SLM-PDMS復(fù)合材料表現(xiàn)出明顯的微相分離結(jié)構(gòu),非晶態(tài)硬段由氫鍵和二硫鍵組成的超分子聚脲組成,軟段由豐富的硅氧烷鏈組成。這種微相分離促進(jìn)了局部區(qū)域損傷過程中的動(dòng)態(tài)鍵重整。基于多重可逆動(dòng)態(tài)鍵的SLM-PDMS有望在RT、鹽水和低溫等復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主自愈合。此外,LM賦予了該材料近紅外光熱自修復(fù)能力,擴(kuò)展了自愈材料的應(yīng)用場景。而且,摻雜LM過后的復(fù)合材料力學(xué)性能沒有受到影響,得益于LM的高動(dòng)態(tài)性,斷裂伸長率和應(yīng)力獲得了增強(qiáng)。DSC和流變行為測試證實(shí)其粘流動(dòng)特性,這是保持超高柔性和動(dòng)態(tài)性的關(guān)鍵。
4.摩擦電性能探究
在摻雜LM后,器件的摩擦電性能獲得了顯著提升。Ga2O3是一種高界面態(tài)半導(dǎo)體,有利于捕獲摩擦電荷,因此在連續(xù)的接觸分離過程中積累的表面電荷量的增加導(dǎo)致電壓的增加。表面電勢和介電特性的變化進(jìn)一步證實(shí)了LM對(duì)電荷轉(zhuǎn)移過程的促進(jìn)作用。此外,TENG在長期愈合測試和循環(huán)測試中都表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦電性能和魯棒性,有望長期穩(wěn)定自供電用于人體健康傳感等新興應(yīng)用。
5.自供電應(yīng)變傳感器
由于LM與SLM-PDMS良好的潤濕性,基于SLM-PDMS與LM制備的單電極應(yīng)變傳感器(C-TENG)實(shí)現(xiàn)了摩擦層與電極層的粘附與封裝。通過集成到手指等人體關(guān)節(jié)中,C-TENG實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的超快實(shí)時(shí)監(jiān)測并且具備損傷后的快速修復(fù)能力。總體而言,C-TENG具有良好的可拉伸性、自愈性、抗拉強(qiáng)度、低延遲、靈敏度和形狀適應(yīng)性,對(duì)先進(jìn)可穿戴傳感器的設(shè)計(jì)具有廣泛的意義。
本研究提出了一種利用超分子界面組裝策略開發(fā)LM超分子復(fù)合材料柔性摩擦電材料的新策略。通過將柔性、導(dǎo)電的LM粒子錨定在具有多重動(dòng)態(tài)鍵的非晶聚合物網(wǎng)絡(luò)中,成功構(gòu)建了具有高遷移率的LM超分子自適應(yīng)復(fù)合摩擦電材料。該方法解決了傳統(tǒng)柔性摩擦電材料在平衡自愈性、電氣性能和機(jī)械性能方面的困難,并將材料的恢復(fù)能力擴(kuò)展到復(fù)雜的多環(huán)境(水下、低溫、光照)。該工作為推動(dòng)柔性自愈TENG在可穿戴自供電傳感技術(shù)中的應(yīng)用提供了一條有前景的途徑。
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https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00665