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【中國科技網】“仿真肌肉” 使可拉伸電子器件更穩定耐用
作者:,日期:2021-02-03

  洪恒飛 科技日報記者 江耘

  在科幻電影《阿麗塔:戰斗天使》中,主角阿麗塔的全身由可拉伸電子組裝而成,質地柔軟且具備各種監測和感受功能。其關鍵在于彈性基體的應用,使可拉伸電子器件能適應大幅度的變形而不影響電學性能,同時實時傳感外界刺激。此類可拉伸器件被學界視作未來仿真機器人以及人體假肢領域的重要組成部分。

  近日,中國科學院寧波材料技術與工程研究所朱錦研究員團隊,開發了一種兼備超強韌、熱修復以及自愈合性能的新型聚氨酯(DA-PU)材料,適合用作可拉伸電子產品的彈性基體,確保電子器件在復雜環境下仍然能夠穩定工作,為柔性電子器件的基體開發和應用提供了研究思路和新視角。相關研究論文1月21日發表于《先進功能材料》。

  歷時兩年合成,新材料兼顧兩種性能

  “作為柔性電子領域的新一代技術,可拉伸電子具備更加出色的變形和傳感能力。”論文第一作者應鄔彬副研究員介紹,整個可拉伸電子的力學性能是由彈性基體來承載,并且其質量占比高達80%以上。目前常用的聚合物彈性體材料有聚氨酯、硅基橡膠、水凝膠以及苯乙烯基橡膠等彈性體。

  機械假肢、貼身動作監測器、各式可穿戴設備……由于可拉伸電子面對的應用環境復雜多樣,人們希望高分子彈性基體在力學強韌的基礎上,進一步模擬人類皮膚的自愈合功能,從而提高可拉伸電子的耐用性和工作穩定性。

  目前,在世界范圍內,已有科研團隊成功開發了多種可以作為基體的自愈合彈性體,但是兼顧力學性能和自愈合性能仍舊是個業界難題。

  “如果基體一旦產生破裂或者完全撕裂,那整個電子器件將會直接失去作用,代價非常大。”應鄔彬解釋道,大部分彈性基體的分子鏈結構較為單一,進而限制了其功能單元的引入和自愈合功能的實現。同時,自愈合功能單元大多為動態鍵,對于普通的化學鍵來說鍵能較低,會降低原先分子鏈結構的結合強度和聚集形態,從而對力學性能產生消極影響。

  “自愈合功能單元大多為動態鍵,對于普通的化學鍵來說鍵能較低,從而對力學性能產生消極影響。我們通過選擇具有可逆動態自組裝功能的基團,導入至聚氨酯中。”應鄔彬介紹說,此類基團不僅能夠進行自組裝交換,還具有相對較強的結合力,這就是兼具韌性和自愈合性能的關鍵。

  “此外,自組裝效應即使被外力分開,也能通過加熱促使其快速運動,最終找到自己的‘另一半‘進行再次組裝,從而實現和肌肉一樣的熱修復。”據應鄔彬介紹,團隊從肌肉生理功能獲得啟發,歷時兩年合成了一種主鏈上電子供體和電子受體基團交替分布的聚氨酯,實現了分子鏈內和鏈間的D-A自組裝,使其具有韌性以及自愈合性能。

  工藝難點尚存,產業化步伐亟需加快

  研究團隊經過上百次的實驗測試得出,新合成的聚氨酯具有高達1900%的斷裂伸長率,以及175.9MJ/m3的韌性。同時,此類聚氨酯還具有優異的自愈合性能,即使中間部分被完全切開,也能夠逐漸實現自我修復,其力學性能也能夠隨著時間的推移而增加,并最終可以恢復到原始韌性的97%。

  “即使在較大的應變變形或長時間拉伸的情況下,經過60℃的熱修復,一分鐘內幾乎可以完全恢復到原始長度,像人體肌肉一樣具有熱修復功能。”應鄔彬介紹道,這一“仿真肌肉”的合成,為可拉伸電子領域提供了更加多場景化的應用潛力,例如需要大應變的貼身動作監測器,破損情況較多的戶外運動監測器等。“團隊趁熱打鐵,歷時半年制備出了一種可拉伸和自愈合的電容式傳感器。”

  談及相關成果的產業化,應鄔彬告訴記者,由于該基體的制備需要在惰性氣體下進行,成本較高,目前只局限于實驗室中的制備。

  應鄔彬表示,可拉伸電子的研究歷史至今約為十年,從彈性基體到可拉伸電子器件的制備轉化,已經在許多實驗室里得以實現,卻還存在許多工藝難點,比如接口問題、程序設計等,大多都是小規模的制備,因此可拉伸電子在工業轉化上還存在一定距離,目前幾乎沒有成熟的商業產品出現。

  “團隊一直致力于高分子材料的研發和應用,無論在研究基礎還是技術方面都有一定的積累,目前也在積極開發相關的產業化工藝。“應鄔彬說,相信在不久的將來,人體假肢等領域將會率先出現以可拉伸電子器件為基礎的產品, “阿麗塔”的手臂將逐漸成為現實。

  (原文發布于2021年2月1日中國科技網)

  【原文鏈接】http://www.stdaily.com/index/kejixinwen/2021-02/01/content_1077798.shtml

 

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