天津大学张雷教授/杨静副教授 JACS：-78℃下自愈的电子皮肤 - 具极地探索的应用潜力

2024-03-24 来源：高分子科技

极地探索可以帮助人类了解气候变化、冰川动态、海洋生态和极地生物，还可以引领人类发现远古建筑和先进文明。人类从未停止过对极地这片地球最极端寒冷地区的探索，美国国家科学基金会每年会向极地项目投资约5亿美元用于发现极地的各种资源。极低温环境是极地探索最主要的挑战之一，南极和北极的年平均气温在-49°C至-31.4°C之间，北极的最低气温可低至-78°C，这为极地探险者的生命安全带来了极大的风险。为此，极地机器人的研发对减小探险人员的伤亡，对人类开发未知危险地带有着重要的意义。

电子皮肤（e-skins）可以赋予机器人“触觉“，显著提升机器人的智能程度。然而开发可用于超低温环境的电子皮肤具有极大的挑战性，因为常用的弹性基底和电子墨水在极低温度下无法保持柔韧性、导电性、或其他先进性能（如自愈能力）。目前，没有相关研究报道过用于超低温使用的电子皮肤。迫切需要设计出在超低温下具有可拉伸、自愈以及高灵敏的柔性电子皮肤来填补该领域的这一空白。

近日，天津大学化工学院张雷、杨静团队在化学领域国际顶级期刊《JACS》（IF=15）上发表了题为“Highly stretchable, self-healing, and sensitive e-skins at ?78^oC for polar exploration”的研究论文，首次开发了一种柔性电子皮肤材料，在-78℃下仍具有很好的拉伸、自愈、和灵敏性。天津大学化工学院博士研究生杨凯、青年教师李庆斯和博士毕业生田澍为论文的共同第一作者。张雷教授和杨静副教授为通讯作者，第一单位为天津大学化工学院，合作单位为滨州魏桥国科高等技术研究院和中国科学院宁波材料所，该研究得到了国家自然科学基金基金面上项目和联合基金项目的支持。

图1. 超分子弹性体材料设计及极地探索潜在应用

作者设计了一类基于PDMS的超分子弹性体，通过向弹性体侧链中引入四重氢键单元（UPy）使其具有极低的玻璃化转变温度T_g（?127°C）和脆化温度T_b（?150°C），并且赋予材料快速可逆动态组装性能。作者系统研究弹性体拉伸、愈合性能的构效关系机制，创制了基于-78℃下可自愈、高拉伸的弹性体制备衬底材料和电子墨水，构建了可用于超低温环境的柔性电子皮肤。这种电子皮肤包覆在机器人手掌上可以在-78℃的条件下准确地感应不同的压力，识别物体的形状和特定的符号。最重要的是，在-78°C下损伤后电子皮肤的传感能力可以实现完全恢复。

图2. 超分子弹性体拉伸性能及机制

首先，探究了弹性体在-78℃的机械性能，结果显示，与没有引入四重氢键Upy的P-D材料相比，UPy显著增强了弹性体在-78℃下的韧性。此外，四重氢键在侧链的弹性体（S-UD）表现出比在主链的弹性体（M-UD）更高的拉伸性能，表明Upy的位置显著影响弹性体的力学性能。通过密度泛函理论（DFT）计算了S-UD和M-UD在拉伸到断裂过程中的结合能变化（?E）。结果显示，S-UD和M-UD拉伸过程的 |?E |分别为0.197和0.703 eV，这表明S-UD中四重氢键更容易断裂/重建。这是由于S-UD弹性体在初始拉伸过程中主链中的氢键提供了应力集中位点，而缠结的侧链上的四重氢键仍处于松弛状态；经过进一步拉伸， S-UD的侧链逐渐展开，松弛的四重氢键开始承受拉伸应力，表现为更高的可拉伸性。

图3. 超分子弹性体的-78℃下自愈性能与机制

随后，表征了弹性体自愈合性能。?78°C下，S-UD表面划痕几乎完全消失，而修复24h的自愈合效率为~75.9%，显著高于M-UD弹性体（~34.3%），表明S-UD相比于M-UD具有更好的低温自愈合性能。DFT计算表明，S-UD在分子链不同角度的愈合所需能量，相较于M-UD更低。与近年来报道的低温自愈合弹性体相比，S-UD在-78°C下表现出独特的高拉伸性和自愈合性能。目前还没有相关研究报道过弹性体能够在-50°C以下实现自愈合。

图4. 基于超分子弹性体构建柔性传感器

进一步，以S-UD为柔性衬底，在S-UD弹性体溶液中加入液态金属EGaIn和银片粉作为电子墨水，并调试优化不同的配比，制备出柔性可自愈的导体材料SUD-Ega-SFP，其在?78°C电导率可高达~1.35×10⁴ S/m。基于新弹性体衬底与导体材料，构建电容式柔性传感器，对压力和应变均具有高度灵敏响应性能，可区分弯曲、平面等不同表面。此外，该传感器在-78℃下具有优异的自愈合性能，自愈后器件的传感信号与原始器件一致。

图5. 构建-78°C下自愈合的电子皮肤，具极地探索的应用潜力

为了证明新型柔性传感器探索极地地区未知物质的潜力，研究人员设计了一个应用在机器手掌的 12×12 的电子皮肤传感器矩阵以及应用在机器手指上的 1×2 个电子皮肤矩阵。在?78°C下，手掌上电子皮肤矩阵可以通过响应不同的电子信号对不同的形状进行感知，从而识别未知物质的3D结构。使用机械手指上的电子皮肤矩阵识别了具有6个响应位点的盲文字母，展现出其能够应用于探索未知符号的潜力。

通讯作者简介

张雷，天津大学化工学院生物化工系教授、系主任、博士生导师，国家自然科学基金优秀青年基金获得者。主要研究方向包括生物化工与合成生物学、细胞/器官保存、抗冰涂料、功能材料等。已在Nature Biotechnology, Nature Communications, JACS, Angew, Chemical Reviews, AIChE Journal, Research, Engineering等期刊发表论文100多篇。

杨静，天津大学化工学院副教授、博士生导师。主持国家级重点项目、国家自然科学基金、天津市基金、教育部博士后基金等项目。主要研究方向为细胞保存、仿皮肤材料、合成生物学等。已在Nature Communications, JACS，Advanced Functional Materials, Chemical Reviews, AIChE Journal等刊物发表第一作者/通讯作者SCI论文近40篇。

论文信息：Highly stretchable, self-healing, and sensitive e-skins at ?78^oC for polar exploration. Kai Yang?, Qingsi Li?, Shu Tian?, Jiancheng Wang, Guangming Lu, Hongshuang Guo, Sijia Xu, Lei Zhang*, Jing Yang*

JACS, 2024, DOI: doi.org/10.1021/jacs.4c00541

全文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c00541

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（责任编辑：xu）

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