东华大学武培怡/孙胜童《自然通讯》自愈弹性纳米网增韧离子皮肤

科技 07-31 来源：高分子能源

像人体皮肤一样抗疲劳和自我修复的坚固离子传感材料对于延长使用寿命的软电子和机器人至关重要。然而，由于低能无定形聚合物链容易断裂且易产生裂纹扩展，大多数现有的基于网络重构的自愈人工离子皮肤都存在疲劳阈值低的问题。在这里，我们设计了一种无疲劳但完全可修复的混合离子皮肤，由高能量、可自修复的弹性纳米网加固，类似于人体皮肤的可修复纳米纤维交织结构。这种设计提供了 2950 J m-2的超高疲劳阈值同时保持皮肤般的顺应性、可拉伸性和应变自适应硬化反应。此外，纳米纤维张力诱导的离子基体的水分呼吸导致创纪录的 66.8 的应变传感规范因子，远远超过以前的固有可拉伸离子导体。这一概念为设计耐用的离子传导材料创造了机会，这些材料更精确地复制了天然皮肤无与伦比的组合特性。

图文简介

a人体皮肤富含离子的纳米纤维复合结构和伤口修复机制示意图。胶原原纤维和弹性蛋白基质都可以在成纤维细胞的帮助下愈合。b可逆拉伸后自愈纳米纤维杂化离子皮肤的结构变化示意图。混合离子皮肤在变形时迅速变硬，并通过纳米纤维诱导的裂纹钝化机制高度抗疲劳断裂。c PU纳米网支架和离子基质的混合结构和各自的自愈机制示意图。d纳米纤维张力迫使吸湿性离子基质可逆地吸入空气中的水分，从而显着增强应变感（规格因子，GF = 66.8）。e人体皮肤和纳米纤维混合离子皮肤的传感和机械性能的粗略比较。

自修复 PU 纳米网的SEM 图像。b混合离子皮肤、PU 纳米网和离子基质的透射率。c拉伸前后混合离子皮肤的横截面 SEM 图像。d真实应力-应变和相应的微分模量曲线。e随着负载的增加，混合离子皮肤条 (15 × 3 × 0.13 mm 3 ) 的应变硬化演示。f混合离子皮肤（厚度约 130 μm）、离子基质（1 mm）和商用 VHB（Very High Bond）胶带（0.5 mm）的穿刺力-位移曲线。g无缺口和缺口混合离子蒙皮的标称应力-应变曲线。H缺口杂化离子皮肤在200%应变下的循环拉伸曲线（插图：第 10,000 个循环的拉伸样品）。i每个加载循环的裂纹扩展，d c /d N与混合离子皮肤的能量释放率。j混合离子皮肤与先前报道的抗疲劳水凝胶和弹性体的疲劳阈值 ( Γ 0 ) 和断裂能 ( Γ ) 的比较。k缺口混合离子皮肤的 POM 图像逐渐拉伸至 400% 应变。所有图像均在 530 nm 调色板的存在下以 45 o的方位角拍摄。源数据作为源数据文件提供。

a切割的混合离子皮肤在 RH 80% 下愈合 24 小时前后的光学显微照片，以及在冲洗掉离子基质后愈合的纳米网支架的 SEM 图像。b原始和自愈混合离子皮肤的真实应力-应变曲线。c测量粘附在各种基材上的混合离子皮肤的每宽度的剥离力。d相应的界面韧性（插图：保形附着在人体皮肤上的混合离子皮肤）。e混合离子皮肤在 RH 60%、25 °C 下 100 天内的含水量变化。f在 RH 60% 下平衡的离子基质的低场1 H NMR 光谱。d中的数据表示为平均值±SD，n = 3 个独立的混合离子皮肤。源数据作为源数据文件提供。

a混合离子皮肤、离子基质和电导率常数导体的应变相关电阻变化。b相应的量规系数 (GF) 变化。c混合离子皮肤在拉伸和恢复时的可逆电阻变化。d混合离子皮肤和其他固有可拉伸离子导体的 GF 值和最大拉伸性的比较。e通过在固定的 550% 应变上叠加 1% 应变来比较混合离子皮肤、离子基质和 PAAm/NaCl 水凝胶之间的电阻变化。f通过拉伸到 200% 应变 2500 个循环的实时响应。g使用五个粘附的混合离子皮肤传感器对手势进行多通道监控。H在志愿者的喉咙上使用附加的混合离子皮肤传感器进行语音识别。源数据作为源数据文件提供。