柔性自愈材料具有良好的適應性、可擴展性和自恢復性，可以避免運動過程中損傷的不利影響，確保穩(wěn)定的實時能量收集和精確的信號感知，是可穿戴電源或傳感器設(shè)備的理想基材。然而，受到多種動態(tài)鍵的限制，這些材料往往需要熱、壓、光等外部刺激來觸發(fā)愈合過程，且在適應惡劣環(huán)境方面面臨挑戰(zhàn)，如在低溫、水下條件或過冷的鹽水中水分子會干擾動態(tài)鍵的重組。另外，動態(tài)鍵系統(tǒng)內(nèi)在的分子設(shè)計矛盾導
近日，王雙飛院士團隊基于高流動性和導電性的液態(tài)金屬（LM），通過超分子界面組裝策略將其融入富含多重動態(tài)鍵的聚二甲基硅氧烷（PDMS）中，制備了具有超高延展性（12000%）和顯著自愈合性能（~25℃，30min）的摩擦電材料（100V, 0.81W/m2），且能夠在極端環(huán)境下（-20℃，近紅外，水下）保持優(yōu)異的自愈能力。這項成果以題為“Liquid Metal-Promoted Supramolecular Interactions Enable Ultrafast Self-Healing Triboelectric Materials with High Performance at Room Temperature”發(fā)表在《Nano Letters》上。2021級碩士生彭偉卿為本文第一作者，段青山副教授為通訊作者。張葉、章志君、趙輝、黃浩河、趙佳敏、程炳旭、何娟霞、許貝、尚柏均、聶雙喜教授等參與研究。
1.自愈超分子復合摩擦電材料設(shè)計策略
本研究提出了一種超分子界面組裝策略，實現(xiàn)了由微納LM液滴均勻嵌入可逆的微相分離共價網(wǎng)絡和非共價網(wǎng)絡組成的復合材料（SLM-PDMS）。其中，含有多重動態(tài)鍵的PDMS（S-PDMS）為骨架，LM為柔性導電填料。得益于S-PDMS中豐富的脲基，LM通過界面相互作用進入S-PDMS的超分子網(wǎng)絡中。該體系中的硅氧烷鏈段具有無定形結(jié)構(gòu)，有利于氫鍵、亞胺鍵、二硫鍵和金屬鍵的動態(tài)重整；二硫鍵和金屬鍵促進材料的室溫自愈過程，亞胺鍵賦予了材料在多種環(huán)境下的自愈能力，氫鍵和金屬鍵通過可逆鍵斷裂和重整耗散應變能。此外，LM促進了摩擦起電過程，賦予高效電輸出。值得注意的是，多個動態(tài)鍵的協(xié)同作用使材料在柔韌性、延展性、摩擦電性能和自愈能力方面達到了良好的平衡。
2.自愈超分子復合摩擦電材料的制備在多層次結(jié)構(gòu)LM-超分子復合材料的自組裝過程中，微納LM液滴通過表面氧化層（Ga2O3）均勻嵌入到S-PDMS中。變溫紅外等測試表明S-PDMS和Ga2O3殼層之間存在界面相互作用，這對于改善界面相容性制備均勻穩(wěn)定的復合材料至關(guān)重要。
3.自愈與拉伸性能探究
SLM-PDMS復合材料表現(xiàn)出明顯的微相分離結(jié)構(gòu)，非晶態(tài)硬段由氫鍵和二硫鍵組成的超分子聚脲組成，軟段由豐富的硅氧烷鏈組成。這種微相分離促進了局部區(qū)域損傷過程中的動態(tài)鍵重整。基于多重可逆動態(tài)鍵的SLM-PDMS有望在RT、鹽水和低溫等復雜環(huán)境中實現(xiàn)自主自愈合。此外，LM賦予了該材料近紅外光熱自修復能力，擴展了自愈材料的應用場景。而且，摻雜LM過后的復合材料力學性能沒有受到影響，得益于LM的高動態(tài)性，斷裂伸長率和應力獲得了增強。DSC和流變行為測試證實其粘流動特性，這是保持超高柔性和動態(tài)性的關(guān)鍵。
4.摩擦電性能探究
在摻雜LM后，器件的摩擦電性能獲得了顯著提升。Ga2O3是一種高界面態(tài)半導體，有利于捕獲摩擦電荷，因此在連續(xù)的接觸分離過程中積累的表面電荷量的增加導致電壓的增加。表面電勢和介電特性的變化進一步證實了LM對電荷轉(zhuǎn)移過程的促進作用。此外，TENG在長期愈合測試和循環(huán)測試中都表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦電性能和魯棒性，有望長期穩(wěn)定自供電用于人體健康傳感等新興應用。
5.自供電應變傳感器
由于LM與SLM-PDMS良好的潤濕性，基于SLM-PDMS與LM制備的單電極應變傳感器（C-TENG）實現(xiàn)了摩擦層與電極層的粘附與封裝。通過集成到手指等人體關(guān)節(jié)中，C-TENG實現(xiàn)了對人體運動的超快實時監(jiān)測并且具備損傷后的快速修復能力。總體而言，C-TENG具有良好的可拉伸性、自愈性、抗拉強度、低延遲、靈敏度和形狀適應性，對先進可穿戴傳感器的設(shè)計具有廣泛的意義。
本研究提出了一種利用超分子界面組裝策略開發(fā)LM超分子復合材料柔性摩擦電材料的新策略。通過將柔性、導電的LM粒子錨定在具有多重動態(tài)鍵的非晶聚合物網(wǎng)絡中，成功構(gòu)建了具有高遷移率的LM超分子自適應復合摩擦電材料。該方法解決了傳統(tǒng)柔性摩擦電材料在平衡自愈性、電氣性能和機械性能方面的困難，并將材料的恢復能力擴展到復雜的多環(huán)境（水下、低溫、光照）。該工作為推動柔性自愈TENG在可穿戴自供電傳感技術(shù)中的應用提供了一條有前景的途徑。
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https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00665