近年來，柔性電子器件因柔軟、可形變等特點受到廣泛關注。當柔性電子器件被頻繁使用時，柔性基底材料容易出現機械損傷。因此，為了延長電子器件的使用壽命，需要採用具有高韌性和自修復的彈性材料來解決上述問題。通常，為了實現彈性體的室溫自修復，往往需要向分子鏈中引入動態性較好的非共價作用單元，如四重氫鍵等。同時，為了實現彈性體的高韌性，往往需要引入大量的非共價作用以提高體系在拉伸過程中的能量耗散，但是大量的非共價作用往往會限制高分子鏈段的運動，影響材料的室溫修復性。
南京大學賈敘東教授、張秋紅副教授課題組在前期工作通過分子尺度複合動態交聯策略構建了一系列高韌性自修復的彈性體，實現了彈性體高韌性和室溫自修復性的平衡（Journal of the American Chemical Society, 2018,15, 5280-5289; Adv. Mater. 2018, 30, 1801435; Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1907139；Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2006432;）
在此基礎上，為實現高韌性彈性體材料室溫下的自修復，近日，南京大學賈敘東教授、張秋紅副教授團隊和汪蓉教授團隊合作，將四重氫鍵和聚輪烷同時引入到聚氨酯彈性體中，利用動態四重氫鍵作用和聚輪烷的滑環效應成功製備了具有高韌性(77.3 MJ/m3) 和室溫自修復性質（室溫24 h修復效率91%）的柔性基底材料（圖1）。在該分子設計中，四重氫鍵快速的交換速率為材料提供了室溫下的自修復性能。同時，聚輪烷可以通過環糊精在拉伸過程中的滑動行為來分散體系應力和耗散體系能量，從而進一步提高材料的韌性。
圖1 基於四重氫鍵和分子滑輪的雙重交聯的高韌性和室溫自修復性的彈性體的分子結構設計
彈性體的優異機械性能歸因於其獨特的多尺度結構（圖2）。在分子水平上，該團隊通過粗粒度的分子動力學模擬評估了鏈間和鏈內的交聯分布，進而驗證了材料力學性能的最優比例。此外，四重氫鍵和可滑動交聯的結合可以增加體系能量耗散，提高彈性體的韌性，這一點在固體1H NMR的表徵中得到了揭示。在相結構層面上，當彈性體受到外力作用時，聚輪烷中的PEG之間有效地形成結晶，阻礙了裂紋的延伸，導致了高斷裂韌性。這些現象通過SAXS、SEM、偏振光顯微鏡和XRD的表徵得到了詳細證實。
圖2. 不同種類的四重氫鍵作用的分子動力學模擬
圖3. 四重氫鍵/聚輪烷雙重交聯彈性體優異力學性能的多尺度機理驗證
導電材料和柔性基材之間的界面相互作用是影響柔性設備在變形下的使用壽命和電阻穩定性的一個關鍵因素。該工作將製備得到的柔性基底材料和具有良好導電性的可流動液態金屬結合，製作了可拉伸導體（圖3）。由於基底材料中四重氫鍵和Ga2O3在界面處的氫鍵作用，使得該導體即使在大應變（1600%）下，也能保持電阻值穩定（0.16-0.26 Ω）。
總的來說，該工作為解決高韌性和室溫自修復的矛盾，提出了一種新的解決策略，同時也為大應變下電阻不敏感的柔性可拉伸導體的製備提供了思路。
圖4. 基於高韌性自修復彈性體的大應變不敏感導體的製備與測試
本文的第一作者是南京大學博士生金琦、杜瑞春和湯浩，通訊作者是賈敘東教授、張秋紅副教授和汪蓉教授。感謝國家自然科學基金和中央高校科研業務費的支持。感謝高性能高分子材料與技術教育部重點實驗室及配位化學國家重點實驗室在本研究中的大力支持。南京大學化學化工學院的王曉亮教授、現代工程與應用科學學院的孔德聖教授對本工作給予了大力支持和幫助。
論文連結 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202305282
文章來源：南京大學
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