近日，东南大学化学化工学院、无锡校区张久洋教授团队在国际知名期刊《美国科学院院刊》（PNAS）上发表了题为《Single Polymer Fiber-Based Ultrasensitive and Multifunctional Flexible Microsensor via Arthropod-Inspired Crack-Helix Coupling》的研究论文。该研究基于高分子表面金属化的技术，制备了一种新型的聚合物与金属共混纤维材料。通过螺旋结构设计，使得该纤维拥有了对动态剪切卓越的分辨能力并将其应用于仿生智能电子领域。

  聚合物与金属共混材料在精密探测、可穿戴设备和软体机器人等领域具有广阔的应用前景。研究这类复合材料在动态应变/应力场下的形变机制，对于智能电子器件的功能范式革新具有重要的意义。针对上述问题，张久洋教授团队创新地设计了一种具有螺旋结构的超细聚合物纤维，并在其表面实现了超薄的液态金属化（金属层厚度：2.5 μm），重点研究了在动态剪切（包括：应变和应力）下的形变机制。受自然界节肢动物耦合式感知能力的启发，团队将这种新型复合材料应用于智能电子领域，获得了具有超高灵敏度（GF > 2746）的电子功能器件（crack-helix microsensor, CHMS）。CHMS的尺寸与手指指纹圈相近，可在0.2 mN的极小应力下引起约100 μm的形变。CHMS的螺旋拓扑结构对外部动态剪切的放大效应是其优异的分辨功能的关键成因（图1）。

图1 高分子与金属的共混材料及其功能化纤维器件

  团队深入研究了CHMS在微小动态形变下的超灵敏分辨的机理。在0 - 3%应变下，灵敏度系数（Gauge Factor，GF）达到271 - 2746，同时检测限低至0.05%应变。在动态拉伸剪切下，纤维表面的液态金属薄层会受此影响从而诱导生成大量的微小裂纹，形成高低电阻交替的通路布局，最终表现出显著的宏观电阻变化。通过显微镜观察到，在循环往复地动态剪切下，具有强流动性的液相组份（镓，Ga）能够快速地修补微裂纹，从而显著地提升CHMS的机电稳定性（图2）。

图2 高分子与金属的共混纤维的动态剪切形变机制及其机电性能

  基于上述的机理以及高分子表面金属化技术，CHMS能够在空气、水下及地面等多种复杂环境中实现对微弱动态剪切的超灵敏分辨。例如：识别超低质量通量（2.2 × 10^-4 g/s·cm²）气流的轻柔吹拂过程。此外，CHMS能够精准地区分不同振幅（小于70 μm）的振动剪切。与众不同的是，水下的CHMS能够准确识别不同频率（256 - 1088 Hz）的水下高频声波，且误差仅为0.4 - 1.1%。对液态金属在动态剪切的形变机制的精准把控，使得CHMS展现出了与节肢动物相似的超强分辨能力（图3）。

图3 高分子与金属的共混电子纤维的超灵敏分辨应用

  聚合物与金属的共混复合材料是张久洋教授团队的重要研究方向，主要探究聚合物与金属共混材料在电子封装材料、电子功能器件中的科学原理及产业应用。该论文第一作者为博士研究生陈子迅，张久洋教授是论文的唯一通讯作者，东南大学为第一通讯单位，该研究成果得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等基金资助。

  论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2529908123