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【中国科技网】“仿真肌肉” 使可拉伸电子器件更稳定耐用
作者:,澳门TT指定平台:日期:2021-02-03

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  洪恒飞 科技日报记者 江耘

  在科幻电影《阿丽塔:战斗天使》中,主角阿丽塔的全身由可拉伸电子组装而成,质地柔软且具备各种监测和感受功能。其关键在于弹性基体的应用,使可拉伸电子器件能适应大幅度的变形而不影响电学性能,同时实时传感外界刺激。此类可拉伸器件被学界视作未来仿真机器人以及人体假肢领域的重要组成部分。

  近日,中国科学院宁波材料技术与工程研究所朱锦研究员团队,开发了一种兼备超强韧、热修复以及自愈合性能的新型聚氨酯(DA-PU)材料,适合用作可拉伸电子产品的弹性基体,确保电子器件在复杂环境下仍然能够稳定工作,为柔性电子器件的基体开发和应用提供了研究思路和新视角。相关研究论文1月21日发表于《先进功能材料》。

  历时两年合成,新材料兼顾两种性能

  “作为柔性电子领域的新一代技术,可拉伸电子具备更加出色的变形和传感能力。”论文第一作者应邬彬副研究员介绍,整个可拉伸电子的力学性能是由弹性基体来承载,并且其质量占比高达80%以上。目前常用的聚合物弹性体材料有聚氨酯、硅基橡胶、水凝胶以及苯乙烯基橡胶等弹性体。

  机械假肢、贴身动作监测器、各式可穿戴设备……由于可拉伸电子面对的应用环境复杂多样,人们希望高分子弹性基体在力学强韧的基础上,进一步模拟人类皮肤的自愈合功能,从而提高可拉伸电子的耐用性和工作稳定性。

  目前,在世界范围内,已有科研团队成功开发了多种可以作为基体的自愈合弹性体,但是兼顾力学性能和自愈合性能仍旧是个业界难题。

  “如果基体一旦产生破裂或者完全撕裂,那整个电子器件将会直接失去作用,代价非常大。”应邬彬解释道,大部分弹性基体的分子链结构较为单一,进而限制了其功能单元的引入和自愈合功能的实现。同时,自愈合功能单元大多为动态键,对于普通的化学键来说键能较低,会降低原先分子链结构的结合强度和聚集形态,从而对力学性能产生消极影响。

  “自愈合功能单元大多为动态键,对于普通的化学键来说键能较低,从而对力学性能产生消极影响。我们通过选择具有可逆动态自组装功能的基团,导入至聚氨酯中。”应邬彬介绍说,此类基团不仅能够进行自组装交换,还具有相对较强的结合力,这就是兼具韧性和自愈合性能的关键。

  “此外,自组装效应即使被外力分开,也能通过加热促使其快速运动,最终找到自己的‘另一半‘进行再次组装,从而实现和肌肉一样的热修复。”据应邬彬介绍,团队从肌肉生理功能获得启发,历时两年合成了一种主链上电子供体和电子受体基团交替分布的聚氨酯,实现了分子链内和链间的D-A自组装,使其具有韧性以及自愈合性能。

  工艺难点尚存,产业化步伐亟需加快

  研究团队经过上百次的实验测试得出,新合成的聚氨酯具有高达1900%的断裂伸长率,以及175.9MJ/m3的韧性。同时,此类聚氨酯还具有优异的自愈合性能,即使中间部分被完全切开,也能够逐渐实现自我修复,其力学性能也能够随着时间的推移而增加,并最终可以恢复到原始韧性的97%。

  “即使在较大的应变变形或长时间拉伸的情况下,经过60℃的热修复,一分钟内几乎可以完全恢复到原始长度,像人体肌肉一样具有热修复功能。”应邬彬介绍道,这一“仿真肌肉”的合成,为可拉伸电子领域提供了更加多场景化的应用潜力,例如需要大应变的贴身动作监测器,破损情况较多的户外运动监测器等。“团队趁热打铁,历时半年制备出了一种可拉伸和自愈合的电容式传感器。”

  谈及相关成果的产业化,应邬彬告诉记者,由于该基体的制备需要在惰性气体下进行,成本较高,目前只局限于实验室中的制备。

  应邬彬表示,可拉伸电子的研究历史至今约为十年,从弹性基体到可拉伸电子器件的制备转化,已经在许多实验室里得以实现,却还存在许多工艺难点,比如接口问题、程序设计等,大多都是小规模的制备,因此可拉伸电子在工业转化上还存在一定距离,目前几乎没有成熟的商业产品出现。

  “团队一直致力于高分子材料的研发和应用,无论在研究基础还是技术方面都有一定的积累,目前也在积极开发相关的产业化工艺。“应邬彬说,相信在不久的将来,人体假肢等领域将会率先出现以可拉伸电子器件为基础的产品, “阿丽塔”的手臂将逐渐成为现实。

  (原文发布于2021年2月1日中国科技网)

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