清华大学梁福鑫/杨振忠教授团队 Adv. Mater.: 在Janus颗粒调控高分子复合材料分层结构方面取得进展

2024-02-02 来源：高分子科技

兼具优异力学性能和功能的一体化设计一直是高分子复合材料追求的目标，不同功能组成空间分布、微结构、及界面相互作用决定了复合材料不同功能组成能否协同发挥作用。

有机-无机复合Janus材料能够将有机“软”组成和无机“硬”组成分区集成，且表面具有两亲性，能够自组织取向、迁移和聚集，为复合材料多级结构设计提供了新的构造单元。

图1. Janus颗粒诱导薄膜分层结构示意图

该工作提出以软-硬分区Janus纳米颗粒诱导不同组成自分层，构筑同时具有力学可拉伸层和柔性三维导电网络层的分层结构薄膜（图1），该薄膜具有大形变、高灵敏度和优异的力学性能。首先设计合成了纳米尺度软-硬分区Janus颗粒，一侧为“软”的橡胶相，另一侧为“硬”的氧化硅相（图2a）。在力学可拉伸层中，由于Janus颗粒的橡胶一侧与橡胶基体组成相同，能够在高添加含量（40wt%）下非常均匀地分布在橡胶基体中，将薄膜的强度和断裂韧性提高数倍（图2b-e）。在柔性三维导电网络层，Janus颗粒诱导石墨烯卷曲并彼此连接形成导电网络层，且Janus颗粒的刚性端和柔性端分别具有硬支撑和软粘结的作用，使网络具有特殊的多级形变结构，在大拉伸应变下通过自适应重构保持良好的导电性（最大拉伸比370 %）。同时，柔性三维网络的多级结构重构，使传感材料具备极高的灵敏度（GF值高达971.7）（如图2f-k）。

Janus颗粒在多级分层结构设计中发挥了独特作用：1）Janus颗粒在基体中自分散实现刚性组成均匀稳定分布且界面结合牢固，同时提高了薄膜的强度和断裂韧性；2）Janus颗粒使低表面能的石墨烯填料很好地分散在水溶液中，避免了使用小分子表面活性导致的时效稳定性差问题，并在成膜后增强石墨烯与橡胶相、以及两层间的界面；3）Janus颗粒使二维结构石墨烯卷曲并彼此连接，形成在应变下能够自适应重构的多级折叠结构，提高了大形变下导电网络的稳定性；4）Janus颗粒与石墨烯形成的聚集体与橡胶基体分层，提高了石墨烯导电填料的局部含量，大幅降低填料导电阈值。
该分层结构设计既解耦了力学模块和功能模块，又增强了多级界面相互作用，实现了两个模块的高效协同，解决了传感性能（包括大伸长比与高灵敏性）和力学性能难以兼顾的难题，为柔性传感器件设计提供了传感性能和力学性能兼优的材料。

图2. Janus纳米颗粒、Janus颗粒/橡胶弹性体的微观结构及力学性能、分层传感结构的微观结构及传感性能

相关研究成果以“Soft-hard Janus nanoparticles triggered hierarchical conductors with large stretchability, high sensitivity, and superior mechanical properties”为题发表在材料领域顶级期刊Advanced Materials上。
清华大学化工系博士后（现为西南交通大学助理教授）禾海伶为论文第一作者，清华大学化工系梁福鑫副教授为论文通讯作者，清华大学化工系杨振忠教授、博士研究生杨甜甜（现为沈阳工业大学助理教授）与刘天霖、探微书院本科生张照远等参与了本工作。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202312278

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（责任编辑：xu）

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