鲍哲南教授《ACS Nano》：一种具有超强拉伸性、高导电率的自修复纳米复合导体

近日，斯坦福大学的鲍哲南和韩国科学技术研究所Donghee Son（共同通讯作者）共同报道了一种由自修复聚合物（SHP，PDMS-4,4′- (MPU)_0.4-(IU)_0.6）和二维的AgFs组成的具有可拉伸性、高导电性的自修复纳米复合材料。制备的纳米复合导体在3500%的拉伸应变作用下，其导电率高达1137 S/cm，并且在60 h内电导率会逐渐增加到3086 S/cm。作者推测这种可拉伸性和电导率增强的现象是由具有有效应变能量耗散的SHP、自对准和重排的AgFs与自组装的AgNPs协同所导致。因此，作者不仅通过使用微计算机断层扫描（μ-CT）和原位扫描电子显微镜（原位SEM）观察到AgFs-AgNPs在应变力作用下具有重排现象，而且还发现该材料具有极强的拉伸性。最后，作者还成功地进行实例演示，证明该纳米复合材料在实现稳定的人机交互界面具有巨大应用价值。相关工作以题目为“An Ultra-stretchable and Self-Healable Nanocomposite Conductor Enabled by Autonomously Percolative Electrical Pathways”发表在《ACS Nano》上。

背景介绍

借助于自然界中普遍存在的自修复现象，人们希望开发出能够提供医疗保健和可穿戴电子产品的电子皮肤设备。因此，需要开发出可拉伸和可自修复的导体与有源电子模块连接，在机械损坏之后也能提供可靠和有效的功率和数据传输。然而，让导体同时具有高拉伸性、高导电性和自修复性一直是一个巨大的挑战。

研究思路

首先，作者通过将AgFs与SHP混合快速的制造出纳米复合导体，并作为导电连接器件印刷到所需的目标基板或器件上。接着，利用自然条件下氯仿溶剂快速蒸发，并控制所制备的AgFs-SHP溶液的粘度获得均匀的导电膜。作者发现不同重量比的AgFs与SHP的纳米复合导体具有不同的导电性和力学性能，通过优化的纳米复合导体中材料的重量比例不仅能够拉伸至1700％应变，而且还能保持599 S/cm的高导电率。同时，发现在SHP基质中通过重排AgFs在拉伸应变下导电率出现增强的现象，最终在1700％应变作用下其最电导率可达到2579 S/cm。此外，还发现该纳米复合导体具有一定的可拉伸性。

图1.一种超塑性自热纳米复合导体的电性能和力学性能。

正如图2所示，SHP封装后导体的导电性和可拉伸性都显著的提高。其中，在3500%应变下，封装导体的导电率最高可达1137 S/cm，在重新排列60 h后，导电率甚至可以最高增加到3086 S/cm。作者猜测这种优异的电学性能和机械性能是由于导体和封装层之间均匀自粘界面处的有效应变能耗散。因此，作者制作了一个由封装的和独立的导体组成，每个导体连接到一个商业二极管上的简易装置，在拉伸到1700%的应变下，其高导电性并未出现明显变化，而导电率在60 min后又完全恢复。

图2.SHP封装纳米复合导体的结构演变。

如图3所示，纳米复合导体的示意图显示了在SHP矩阵中由自发形成的AgNsP包围的均匀分布的AgFs。通过透射电子显微镜（TEM）和能谱（EDS）直接观察到AgFs中扩散的Ag⁺离子与SHP的羰基反应形成的AgNPs。此外，如图4所示，作者还通过使用μ-CT和原位扫描电镜可视化的观察到了在SHP矩阵中对AgFs-AgNps进行自对准和重排，纳米复合导体中的渗透路径的有效长度在拉伸后变短。

图3.纳米复合导体的微观结构和导电路径。

图4.应变SHP矩阵中AgFs-AgNPs自对准和重排的可视化。

正如图5所示，纳米复合导体自修复的示意图和相应的光学图像如图5a所示。作者确认了线形受损导体（比率为3:1）在60 ℃下保持1.5 h后被自修复。此外，作者还研究了用不同的重量比（2:1到4:1）对AgF和SHP的自修复性能进行调控，其中比例为3:1的材料在损伤和自修复后表现出最高的拉伸性（1700%应变）和可靠的导电性（保持200 S/cm，100%应变）。

图5.纳米复合导体的自修复性能。

鉴于该纳米复合导体具有优异的导电率、自修复性和超强的可拉伸性，作者将封装有SHP层的DLC导体应用到一个灵活的无线EMG信号监测系统中。该生物集成系统通过覆盖透明皮肤贴片整合附着在皮肤上。通过电生理测量和测量在临界损伤前后的应变范围为50%的弹性特性，发现其表现出优异的性能。此外，将集成的皮肤贴片贴在机器人手臂上时，在发送一系列抓取、展开和指向等指令时，都能够精确地控制机器人的手部运动。

图6.基于可拉伸和自修复的强大的交互式人机界面。

小结

综上所述，作者报道了一种由于SHP基体中导电粒子的重新排列而出现导电性自修复的现象。具有导电性和力学性的自修复纳米复合导体在3500%的应变可拉伸下，其导电率最高可以达到3086 S/cm。此外，作者利用SHP组件制造的DLC在循环拉伸试验中表现出优异的耐久性，同时当DLC与SHP层封装时，即使在完全切割后仍旧具有优异的可拉伸性。最后，作者还证明了基于纳米复合导体和封装层的自修复互连器件非常适用于强大的人机交互界面。

文章链接:

An Ultrastretchable and Self-Healable Nanocomposite Conductor Enabled by Autonomously Percolative Electrical Pathways. ACS Nano, 2019, DOI:10.1021/acsnano.9b00160.

来源：高分子科学前沿

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