《天然·通讯》超分子两性离子网络的类皮肤机器相应自修复弹性体
【择要】
可拉伸的离子皮肤在仿照自然皮肤的多功效觉得方面很有味。然而，对付它们在先辈电子产物中的应用，精良的弹性规复、自我修复，更紧张的是，类皮肤的非线性机器相应（应变硬化）是必不行少的，但在一种质料中很少能餍足。近来，东华大学孙胜童特聘研究员/武培怡传授团队通过将熵驱动的超分子两性离子可重组网络引入氢键聚羧酸网络，展示了一种壮大的质子传导离子皮肤设计。该设计许可两个具有差别相互作用强度的动态网络通过拉伸次序脱粘，从而可以降服弹性、自愈和应变硬化之间的辩论。
代表性的聚丙烯酸/甜菜碱弹性体具有高拉伸性（1600% 伸长率）、庞大的应变硬化（24 倍模量加强）、~100% 的自愈性、优秀的弹性（97.9 ± 1.1% 规复率，<14% 滞后） 、高透明度（99.7 ± 0.1%）、保湿、防冻（-40 °C时有弹性）、水可再加工性以及易剥离的附着力。综合上风使现在的离子弹性体在用于人机交互的可穿着离子电子传感器中非常有前程。相干论文以题为Skin-like mechanoresponsive self-healing ionic elastomer from supramolecular zwitterionic network颁发在《Nature Communications》上。
【主图导读】
机器相应PAA/两性离子弹性体的分子设计
图 1：PAA/两性离子弹性体的分子设计和类皮肤非线性力学相应。a用于制备质子传导离子皮肤的两性离子和聚丙烯酸(PAA)的分子布局和pKa值。b 透亮的 PAA/甜菜碱弹性体薄膜被拉伸 12 次。c 拉伸前后 PAA/甜菜碱弹性体的布局表示图以及三个重要相互作用对之间相互作用强度的次序，由以下 2DCOS 阐发确定。为清晰起见，未表现水分子。随着拉伸，超分子甜菜碱链网络渐渐断裂，导致由强 H 键和延伸的 PAA 链引起的弹性体的庞大硬化。d AA/H2O（摩尔比，1:2.5）和 AA/甜菜碱/H2O（摩尔比，1:1:2.5）溶液的 DLS 尺寸漫衍曲线。e 制备的 PAA/两性离子的真实应力和相应的微分模量曲线弹性体作为伸长率的函数（拉伸速率：100 mm min−1）。f PAA/甜菜碱弹性体具有机器柔顺性并与人体皮肤粘合，但因为固有的应变硬化效应而易于剥离。
PAA/甜菜碱弹性体中的内部相互作用
图 2：PAA/甜菜碱弹性体的内部相互作用。a PAA、甜菜碱和干燥 PAA/甜菜碱的 FTIR 光谱和归属。b D2O 中 PAA、甜菜碱和 PAA/甜菜碱的 1H NMR 光谱。总的溶质浓度都是 0.1 M。c pH 值的 0.1 M PAA/甜菜碱溶液具有差别的 AA: 甜菜碱摩尔比。d 差别温度下的等应变-应力松懈曲线。插图是依据 Arrhenius 方程对应的拟合效果。e PAA/甜菜碱弹性体在 v(C = O) 和 v(C–N) 地区（区间：5 °C）从 20 到 70 °C 加热时的温度改变 FTIR 光谱。f 由 (e) 天生的 2DCOS 同步和异步光谱。在 2DCOS 光谱中，暖色（赤色和黄色）代表正强度，而冷色（蓝色）代表负强度。
应变强化机制商议
弹性、保湿、防冻性能
图 3：PAA/甜菜碱弹性体的应变硬化机制、弹性、保湿和防冻性能。
自修复、可水加工和粘合性能
图 4：PAA/甜菜碱弹性体的自修复、可水加工和粘合性能。
离子皮肤的多重感官本领
图 5：基于 PAA/甜菜碱弹性体的离子电子传感器的传感到用。a PAA/甜菜碱弹性体的应变依靠性电阻改变。b 在 50%、100%、150% 和 200% 的牢固应变下分别丈量十个轮回的及时相应曲线。c、d 基于弹性体的应变传感器可感到人类手指弯曲和吞咽行动。e 基于弹性体的应变传感器在拉伸至 200% 应变 350 次轮回后的相对电阻改变。f PAA/甜菜碱弹性体的温度引起的及时电阻改变在 -25 和 70 °C 之间。g 基于 PAA/甜菜碱弹性体的离子电子压力传感器的布局表示图。h 与压力相干的电容改变。i 在加载压力为 0.36 kPa. 时的相应时间。j 差别压力下的动态加载/卸载曲线。k 通过用差别手指按压粘附在手套上的四个离子电子传感器的同步电容相应。
总结
该团队陈诉了第一个模仿自然皮肤全方位感官、自我修复和应变硬化特性的离子皮肤示例。通过将熵驱动的超分子两性离子竞争网络引入 H 键聚羧酸网络，以模仿软弹性卵白网络和硬胶原纤维在自然皮肤中的作用，通过双网络设计很简单实现奇特的机器相应离子皮肤。与之前报道的涉及水凝胶、有机水凝胶、离子凝胶和离子导电弹性体的离子皮肤质料相比，该弹性体在应变硬化、完全自愈、超高拉伸性、优秀的弹性规复、高透亮度、氛围稳健性（对付凝胶，溶剂在氛围中的保存本领）、抗冻性和自粘性。有味的是，来自具有差别相互作用强度的三种动态相互作用的两个相互竞争的网络的组合降服了可拉伸离子导体的弹性、自愈性和应变硬化之间的内涵辩论。这项事情不但为解说与双交联网络相干的非线性机器相应举动奠基了机器底子，并且为设计具有雷同皮肤的庞大感官和机器性能的牢固质料摊平了门路。估计该计谋大概会引发一系列仿生质料在传感器、可穿着电子产物、智能纺织品、人机交互等方面的种种应用。
参考文献
doi.org/10.1038/s41467-021-24382-4
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