洪恒飛 本報記者 江 耘

　　在科幻電影《阿麗塔：戰鬥天使》中，主角阿麗塔的全身由可拉伸電子器件組裝而成(chéng)，質地柔軟且具備各種(zhǒng)監測和感受功能(néng)。其關鍵組件彈性基體，能(néng)使電子器件在大幅度變形後(hòu)不影響電學(xué)性能(néng)，同時實時傳感外界刺激。此類可拉伸電子器件被(bèi)學(xué)界視作未來仿真機器人以及人體假肢領域的重要組成(chéng)部分。

　　科技日報記者2月21日從中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所獲悉，該所朱錦研究員團隊開(kāi)發(fā)了一種(zhǒng)兼備超強韌、熱修複以及自愈合性能(néng)的新型聚氨酯（DA-PU）材料，适合用作可拉伸電子産品的彈性基體，确保電子器件在複雜環境下仍能(néng)穩定工作，爲柔性電子器件的基體開(kāi)發(fā)和應用提供了研究思路和新視角。相關研究論文發(fā)表于《先進(jìn)功能(néng)材料》。

　　曆時兩(liǎng)年合成(chéng)，新材料兼具韌性和自愈合性能(néng)

　　“作爲柔性電子領域的新一代技術，可拉伸電子器件具備更加出色的變形和傳感能(néng)力。”論文第一作者應邬彬副研究員介紹，整個可拉伸電子器件的力學(xué)性能(néng)由彈性基體來承載，且其質量占比高達80%以上。目前常用的聚合物彈性基體材料有聚氨酯、矽基橡膠、水凝膠以及苯乙烯基橡膠等。

　　機械假肢、貼身動作監測器、各式可穿戴設備……由于可拉伸電子器件面(miàn)對(duì)的應用環境複雜多樣(yàng)，人們希望高分子彈性基體在力學(xué)強韌的基礎上，擁有人類皮膚的自愈合功能(néng)，從而提高可拉伸電子器件的耐用性和工作穩定性。

　　目前，在世界範圍内，已有科研團隊成(chéng)功開(kāi)發(fā)了多種(zhǒng)自愈合彈性基體，但是兼顧力學(xué)性能(néng)和自愈合性能(néng)仍舊是個業界難題。

　　“如果彈性基體産生破裂或者完全撕裂，那整個電子器件將(jiāng)會直接失去作用，損失非常大。”應邬彬解釋道(dào)，大部分彈性基體的分子鏈結構較爲單一，進(jìn)而限制了其功能(néng)單元的引入和自愈合功能(néng)的實現。同時，自愈合功能(néng)單元大多爲動态鍵，對(duì)于普通的化學(xué)鍵來說鍵能(néng)較低，會降低原先分子鏈結構的結合強度和聚集形态，從而對(duì)力學(xué)性能(néng)産生不利影響。

　　“我們選擇具有可逆動态自組裝功能(néng)的基團，將(jiāng)其導入聚氨酯中。”應邬彬介紹說，此類基團不僅能(néng)夠進(jìn)行自組裝交換，還(hái)具有相對(duì)較強的結合力，這(zhè)就是兼具韌性和自愈合性能(néng)的關鍵。

　　“此外，擁有自組裝效應的基團即使被(bèi)外力分開(kāi)，也能(néng)通過(guò)加熱促使其快速運動，最終找到自己的‘另一半’進(jìn)行再次組裝，從而實現和肌肉一樣(yàng)的熱修複。”據應邬彬介紹，團隊從肌肉生理功能(néng)獲得啓發(fā)，曆時兩(liǎng)年合成(chéng)了一種(zhǒng)主鏈上電子供體和電子受體基團交替分布的聚氨酯，實現了分子鏈内和鏈間的供體與受體自組裝，使其具有韌性以及自愈合性能(néng)。

　　工藝難點尚存，産業化步伐亟須加快

　　研究團隊經(jīng)過(guò)上百次的實驗測得，新合成(chéng)的聚氨酯具有高達1900%的斷裂伸長(cháng)率，以及強大的韌性。同時，此類聚氨酯還(hái)具有優異的自愈合性能(néng)，即使中間部分被(bèi)完全切開(kāi)，也能(néng)夠逐漸實現自我修複，其力學(xué)性能(néng)還(hái)會随著(zhe)時間的推移而增加，并最終恢複到原始韌性的97%。

　　“即使在較大的應變變形或長(cháng)時間拉伸的情況下，經(jīng)過(guò)60℃的熱修複，新型聚氨酯也能(néng)在一分鍾内基本恢複到原始長(cháng)度。”應邬彬介紹道(dào)，這(zhè)一“仿真肌肉”的合成(chéng)，爲可拉伸電子器件提供了更多應用場景，例如需要大應變的貼身動作監測器、破損情況較多的戶外運動監測器等。團隊趁熱打鐵，曆時半年制備出了一種(zhǒng)可拉伸、自愈合的電容式傳感器。

　　談及相關成(chéng)果的産業化，應邬彬告訴記者，由于該基體的制備需要在惰性氣體下進(jìn)行，成(chéng)本較高，目前隻局限于實驗室中的制備。

　　應邬彬表示，從彈性基體到可拉伸電子器件的制備轉化，已經(jīng)在許多實驗室裡(lǐ)得以實現，但還(hái)存在諸多工藝難點，比如接口問題、程序設計難等，大多都(dōu)是小規模的制備，因此可拉伸電子器件目前幾乎沒(méi)有成(chéng)熟的商業産品出現。實現工業轉化還(hái)需時間。

　　“我們團隊一直緻力于高分子材料的研發(fā)和應用，無論在基礎研究還(hái)是技術開(kāi)發(fā)方面(miàn)都(dōu)有一定的積累，目前也在積極開(kāi)發(fā)相關的産業化工藝。”應邬彬說，相信在不久的將(jiāng)來，人體假肢等領域將(jiāng)會率先出現以可拉伸電子器件爲基礎的産品， 阿麗塔的手臂將(jiāng)成(chéng)爲現實。

　　（原文發(fā)布于2021年2月25日《科技日報》第6版）

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