Chem. Matter. | 具有优异低温自修复能力的透明导电弹性体

来源：X一MOL资讯

英文原题：Autonomous self-healing, anti-freezing and transparent conductive elastomers

通讯作者：苏彬，华中科技大学；何明辉，华南理工大学

作者：Ren’ai Li, Ting Fan, Guangxue Chen, Kaili Zhang, Bin Su, Junfei Tian, and Minghui He

在柔性电子领域，拥有优异的光学、力学和电学性能，同时具有本征自修复能力的透明导电弹性体引起了科学家们的浓厚研究热情。但是，目前广泛采用的导电水凝胶在高温或室温环境下由于水分易于挥发造成力学和电学性能下降；低温下更是由于水结晶现象造成光学、力学和电学性能集体失效。离子凝胶虽在一定程度上解决了上述问题，但离子液体泄漏的风险难以克服。因此，制备低温环境下具备优异光学、力学、电学和本征自修复性能的柔性导电材料仍面临挑战。

为解决上述问题，在已有的可聚合低共熔溶剂（Polymerizable deep eutectic solvent, PDES）的研究基础上（J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 8475; Chem. Commun., 2018, 54, 2304; ACS Appl. Mater. Inter., 2019, 11, 14313），华南理工大学何明辉副研究员课题组和华中科技大学苏彬教授课题组合作，报道了一种 -23°C下可实现73%自修复效率的透明弹性体，相关论文发表在Chemistry of Materials 上，论文第一作者是华南理工大学李仁爱博士和樊婷副研究员，陈广学教授给了很多建设性的意见。该研究工作设计合成了两种PDES软硬单体，丙烯酰胺/氯化胆碱（AAm/ChCl）和马来酸/氯化胆碱（MA/ChCl），利用分子内和分子间的多重氢键作用构筑超分子网络结构（羧基、羟基和氨基之间），通过光引发的原位共聚合，制备的透明导电弹性体Poly(AAm/ChCl-MA/ChCl) 具有高透明度（95.1%）、优异拉伸性能（~450%）、高离子导电性（4.0 ×10-4 S cm-1）和优异自修复能力（室温下94%的自修复效率，-23°C下73%的自修复效率）（如图1）。特别的是，该弹性体在-23°C-60°C的宽温度工作范围内仍能保持优异的透明度、机械性能、导电性和自修复性能，研究人员利用该突出性能制造了可以在很宽温度范围（-40℃至60℃）内工作的形变传感器。

图1. 宽温度范围内可自修复的透明导电弹性体Poly(AAm/ChCl-MA/ChCl)。

研究人员利用PDES的低共熔分子结构优势，合理的调节软硬共聚单体的比例，经原位UV光聚合快速制备的透明导电弹性体Poly(AAm/ChCl-MA/ChCl)的Tg低至-92.8°C到-72°C之间。如图2所示，由于体系内多重的氢键作用（羧基、氨基和羟基），Poly(AAm/ChCl-MA/ChCl) 弹性体在室温、高温和低温环境下均具有优异的本征自修复能力，并保持了优异的光学透明度。

图2. Poly(AAm/ChCl-MA/ChCl) 优异的宽温度范围内的自修复能力。

该导电弹性体最高光学透过率高达95.1%，且受厚度影响很小（图3A-C）；通过共聚单体比例的调整可调控弹性体的机械拉伸性能和杨氏模量，最大机械拉伸可达450%（图3D）；此外，弹性体还可在宽温度范围内保持优异的电学性能，且能够点亮弹性体循环拉伸过程中的小灯泡（图3E-F）。

图3. Poly(AAm/ChCl-MA/ChCl) 弹性体的光学、力学和电学性能。

为了验证Poly(AAm/ChCl-MA/ChCl)弹性体修复后的电学性能，研究人员将串联进电路的弹性体切断后重新连接在一起，发现小灯泡依旧发光（图4A）。同一位置在连续切断-修复的电学数据监测发现，其电学性能几乎保持不变，表现出优异的电学自修复能力（图4B）。研究人员进一步将该透明导电弹性体制造出可以在很宽温度范围工作的应变传感器（图4C-E），该器件展现出了优异的可拉伸性和自愈合性，均输出了稳定的电学信号，能够用于检验各种极限温度下的机器人运动。

图4. Poly(AAm/ChCl-MA/ChCl)弹性体的电学自修复性能以及用于宽温度范围内可工作的传感器。

总结

鉴于柔性电子领域内导电水凝胶在低温下易造成光学、力学和电学性能集体失效的问题，何明辉副研究员和苏彬教授通过可聚合低共熔溶剂单体的原位光聚合，利用多重氢键网络下的协同作用，设计了在宽温度范围内（-23°C-60°C）具有高透明度、优秀机械性能、良好导电性和自修复性能的透明导电弹性体，尤其是-23°C同样可实现高的自修复效率。这一策略可以扩展到各种极端温度环境下的可拉伸电子领域和柔性光电器件领域。