在科幻電影《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》中，主角阿麗塔的全身由可拉伸電子器件組裝而成，質(zhì)地柔軟且具備各種監(jiān)測(cè)和感受功能。其關(guān)鍵組件彈性基體，能使電子器件在大幅度變形后不影響電學(xué)性能，同時(shí)實(shí)時(shí)傳感外界刺激。此類可拉伸電子器件被學(xué)界視作未來仿真機(jī)器人以及人體假肢領(lǐng)域的重要組成部分。

科技日?qǐng)?bào)記者2月21日從中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所獲悉，該所朱錦研究員團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種兼?zhèn)涑瑥?qiáng)韌、熱修復(fù)以及自愈合性能的新型聚氨酯(DA-PU)材料，適合用作可拉伸電子產(chǎn)品的彈性基體，確保電子器件在復(fù)雜環(huán)境下仍能穩(wěn)定工作，為柔性電子器件的基體開發(fā)和應(yīng)用提供了研究思路和新視角。相關(guān)研究論文發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》。

歷時(shí)兩年合成，新材料兼具韌性和自愈合性能

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

機(jī)械假肢、貼身動(dòng)作監(jiān)測(cè)器、各式可穿戴設(shè)備……由于可拉伸電子器件面對(duì)的應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多樣，人們希望高分子彈性基體在力學(xué)強(qiáng)韌的基礎(chǔ)上，擁有人類皮膚的自愈合功能，從而提高可拉伸電子器件的耐用性和工作穩(wěn)定性。

目前，在世界范圍內(nèi)，已有科研團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了多種自愈合彈性基體，但是兼顧力學(xué)性能和自愈合性能仍舊是個(gè)業(yè)界難題。

“如果彈性基體產(chǎn)生破裂或者完全撕裂，那整個(gè)電子器件將會(huì)直接失去作用，損失非常大。”應(yīng)鄔彬解釋道，大部分彈性基體的分子鏈結(jié)構(gòu)較為單一，進(jìn)而限制了其功能單元的引入和自愈合功能的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，自愈合功能單元大多為動(dòng)態(tài)鍵，對(duì)于普通的化學(xué)鍵來說鍵能較低，會(huì)降低原先分子鏈結(jié)構(gòu)的結(jié)合強(qiáng)度和聚集形態(tài)，從而對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。

“我們選擇具有可逆動(dòng)態(tài)自組裝功能的基團(tuán)，將其導(dǎo)入聚氨酯中。”應(yīng)鄔彬介紹說，此類基團(tuán)不僅能夠進(jìn)行自組裝交換，還具有相對(duì)較強(qiáng)的結(jié)合力，這就是兼具韌性和自愈合性能的關(guān)鍵。

“此外，擁有自組裝效應(yīng)的基團(tuán)即使被外力分開，也能通過加熱促使其快速運(yùn)動(dòng)，最終找到自己的‘另一半’進(jìn)行再次組裝，從而實(shí)現(xiàn)和肌肉一樣的熱修復(fù)。”據(jù)應(yīng)鄔彬介紹，團(tuán)隊(duì)從肌肉生理功能獲得啟發(fā)，歷時(shí)兩年合成了一種主鏈上電子供體和電子受體基團(tuán)交替分布的聚氨酯，實(shí)現(xiàn)了分子鏈內(nèi)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。

工藝難點(diǎn)尚存，產(chǎn)業(yè)化步伐亟須加快

研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過上百次的實(shí)驗(yàn)測(cè)得，新合成的聚氨酯具有高達(dá)1900%的斷裂伸長率，以及強(qiáng)大的韌性。同時(shí)，此類聚氨酯還具有優(yōu)異的自愈合性能，即使中間部分被完全切開，也能夠逐漸實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)，其力學(xué)性能還會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加，并最終恢復(fù)到原始韌性的97%。

“即使在較大的應(yīng)變變形或長時(shí)間拉伸的情況下，經(jīng)過60℃的熱修復(fù)，新型聚氨酯也能在一分鐘內(nèi)基本恢復(fù)到原始長度。”應(yīng)鄔彬介紹道，這一“仿真肌肉”的合成，為可拉伸電子器件提供了更多應(yīng)用場(chǎng)景，例如需要大應(yīng)變的貼身動(dòng)作監(jiān)測(cè)器、破損情況較多的戶外運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)器等。團(tuán)隊(duì)趁熱打鐵，歷時(shí)半年制備出了一種可拉伸、自愈合的電容式傳感器。

談及相關(guān)成果的產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)鄔彬告訴記者，由于該基體的制備需要在惰性氣體下進(jìn)行，成本較高，目前只局限于實(shí)驗(yàn)室中的制備。

應(yīng)鄔彬表示，從彈性基體到可拉伸電子器件的制備轉(zhuǎn)化，已經(jīng)在許多實(shí)驗(yàn)室里得以實(shí)現(xiàn)，但還存在諸多工藝難點(diǎn)，比如接口問題、程序設(shè)計(jì)難等，大多都是小規(guī)模的制備，因此可拉伸電子器件目前幾乎沒有成熟的商業(yè)產(chǎn)品出現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)工業(yè)轉(zhuǎn)化還需時(shí)間。

“我們團(tuán)隊(duì)一直致力于高分子材料的研發(fā)和應(yīng)用，無論在基礎(chǔ)研究還是技術(shù)開發(fā)方面都有一定的積累，目前也在積極開發(fā)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)化工藝。”應(yīng)鄔彬說，相信在不久的將來，人體假肢等領(lǐng)域?qū)?huì)率先出現(xiàn)以可拉伸電子器件為基礎(chǔ)的產(chǎn)品，阿麗塔的手臂將成為現(xiàn)實(shí)。