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蘭州化物所研發(fā)出極地可穿戴設備用超敏多功能材料
2025年12月25日 09:17:44
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：楊 點擊量：5186
中科院蘭州化物所聚合物自潤滑復合材料課題組創(chuàng)新性地提出了“分子工程策略”，通過引入物理交聯(lián)和化學交聯(lián)，在聚氨酯內(nèi)部構筑交織網(wǎng)絡結(jié)構。
近日，中國科學院蘭州化學物理研究所蘭州潤滑材料與技術創(chuàng)新中心聚合物自潤滑復合材料課題組在材料領域取得突破。他們開發(fā)的形狀記憶聚氨酯材料，通過獨特的分子工程策略，在聚氨酯內(nèi)部構筑交織網(wǎng)絡結(jié)構，解決了傳統(tǒng)聚氨酯材料力學性能與功能特性難以兼顧的矛盾。這種新材料在極端低溫環(huán)境下仍能保持高強度、韌性和靈敏的傳感能力，為極地可穿戴設備和柔性電子技術提供了創(chuàng)新的材料解決方案。
聚氨酯被譽為“第五大塑料”，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中扮演著不可或缺的角色。傳統(tǒng)聚氨酯材料面臨一個根本性矛盾：強化學交聯(lián)可提供高力學性能，卻犧牲了材料的動態(tài)性與可修復性。
隨著柔性電子技術的快速發(fā)展，傳感系統(tǒng)正朝著可拉伸、自適應和自修復的方向變革。柔性傳感器憑借其共形粘附、機械耐久性和生物相容性優(yōu)勢，在健康監(jiān)測、人機交互和軟機器人等領域展現(xiàn)出巨大潛力。然而當前柔性傳感器的核心發(fā)展瓶頸在于如何同時實現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定性、自修復能力和高信號保真度。常規(guī)柔性傳感器主要依賴水凝膠或彈性體基質(zhì)注入離子液體或?qū)щ娞盍?，難以同步實現(xiàn)高離子電導率、環(huán)境穩(wěn)定性和形狀記憶性能等關鍵指標。
中科院蘭州化物所聚合物自潤滑復合材料課題組創(chuàng)新性地提出了“分子工程策略”，通過引入物理交聯(lián)和化學交聯(lián)，在聚氨酯內(nèi)部構筑交織網(wǎng)絡結(jié)構。研究團隊將四重氫鍵與交織網(wǎng)絡結(jié)構相結(jié)合，四重氫鍵能有效耗散能量，而交織網(wǎng)絡結(jié)構則能在外力作用時穩(wěn)定分子網(wǎng)絡。這種分子網(wǎng)絡設計在提升聚氨酯材料強度的同時，沒有以犧牲彈性為代價，還能賦予聚氨酯動態(tài)特性，實現(xiàn)諸如形狀記憶、自修復和可回收等功能。
為實現(xiàn)材料的導電性，研究人員創(chuàng)新性地引入含氟擴鏈劑和多氫鍵單元，構建了氟-陽離子相互作用與高密度氫鍵協(xié)同的動態(tài)網(wǎng)絡。氟的高電負性不僅與封端劑形成離子鍵增強網(wǎng)絡穩(wěn)定性，還通過偶極相互作用固定陽離子，構建陰離子傳輸通道，保障離子高效遷移。
經(jīng)過這種分子工程改造后的聚氨酯材料展現(xiàn)出令人矚目的綜合性能。在極端低溫環(huán)境下，材料仍保持優(yōu)異性能：在-40℃時，材料強度達32.31 MPa，韌性為107.05 MJ m?³，離子電導率為1.46×10?? S cm?¹。該材料表現(xiàn)出負溫度系數(shù)行為，在-40℃至-30℃超低溫區(qū)間的溫度系數(shù)電阻高達8.05% ℃?¹，這一指標優(yōu)于大多數(shù)已報道的柔性溫度傳感器。
材料的形狀記憶功能同樣出色：形狀恢復率隨循環(huán)次數(shù)增加從86.5%升至94.8%，固定率穩(wěn)定在約98.3%。材料在低溫下可固定臨時形狀，室溫下快速恢復原始形狀，展示了在智能可穿戴設備中的應用潛力。自修復性能方面，室溫下1小時修復效率達85.4%，3小時可達97.4%，顯著延長了材料在苛刻環(huán)境下的使用壽命。
作為高靈敏、可自修復的“離子皮膚”，這種新型聚氨酯材料在健康監(jiān)測方面表現(xiàn)卓越。實驗證明，它能精準監(jiān)測手指、手腕、肘部等關節(jié)的不同彎曲動作，并區(qū)分深、淺不同的呼吸模式。尤為關鍵的是，當用作心電圖監(jiān)測電極時，它采集的信號質(zhì)量符合臨床要求，T波與R波振幅比在0.2-0.4的臨床可接受范圍內(nèi)，滿足醫(yī)療級心血管評估標準。
研究團隊表示，這項技術為極地勘探、低溫醫(yī)療和特殊環(huán)境監(jiān)測等領域的可穿戴設備發(fā)展提供了創(chuàng)新材料平臺。這一巧妙的分子設計為極端環(huán)境下柔性電子設備的設計提供了新的聚合物工程策略，突破了傳統(tǒng)材料的性能權衡限制。
相關成果Shape-memory polyurethanes for polar wearables with ultrasensitive multi-monitoring于近日發(fā)表于《自然-通訊》(nature communications)。
參考來源：中科院蘭州化物所研
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