-40℃也能用的“離子皮膚” | 科技前線

從家居的舒適泡沫、服裝纖維，到汽車內(nèi)飾、建筑保溫材料，聚氨酯以其優(yōu)異的彈性、耐磨性和可塑性，成為工業(yè)領(lǐng)域非常重要的“材質(zhì)基礎(chǔ)”。

但在-40℃的低溫條件下，傳統(tǒng)聚氨酯聚合物通常會變得脆硬易碎。日前，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所開發(fā)出的多功能形狀記憶“離子皮膚”，在極端環(huán)境中展現(xiàn)出較高的強(qiáng)度、韌性、可拉伸性和離子電導(dǎo)率。

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突破性能瓶頸

在傳統(tǒng)概念中，一種材料如果非常強(qiáng)韌，往往就很難具備良好的導(dǎo)電性、自修復(fù)能力或在極端溫度下的穩(wěn)定性。

如何平衡聚氨酯的高力學(xué)性能與多功能性，是材料學(xué)家面臨的一個難題。對此，科研人員提出了一種巧妙的分子工程策略，試圖從根本上解決這一矛盾。

團(tuán)隊(duì)通過引入一種特殊的含氟擴(kuò)鏈劑和多個氫鍵單元，構(gòu)建了一個獨(dú)特的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

在這個網(wǎng)絡(luò)中，氟元素的高電負(fù)性發(fā)揮了關(guān)鍵作用。氟原子就像一個帶強(qiáng)負(fù)電的“磁鐵”：一方面能夠與材料中的封端劑形成穩(wěn)定的離子鍵，顯著增強(qiáng)整個分子網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性；另一方面，還能通過偶極相互作用“固定”住材料中的陽離子，同時在材料內(nèi)部構(gòu)建出高效的陰離子傳輸通道。

▲材料的分子設(shè)計(jì)以及極地環(huán)境中的應(yīng)用示意圖

這種設(shè)計(jì)形成了一個協(xié)同作用的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)：氫鍵提供了材料的韌性和自修復(fù)能力，而氟與陽離子的相互作用則保障了離子在材料中的高效遷移，使其具備了良好的導(dǎo)電性。

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低溫下的“離子皮膚”

基于這一巧妙的分子設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)成功制備出了一種全新的形狀記憶聚氨酯材料。這種材料最顯著的特點(diǎn)之一是其在極端低溫環(huán)境下的出色表現(xiàn)。

在-40℃的測試條件下，這款新型聚氨酯仍然保持了較高的強(qiáng)度、韌性和可拉伸性。更令人驚訝的是，隨著溫度降低，材料的電阻反而增大，這一特性使其在低溫環(huán)境下的傳感應(yīng)用中具有獨(dú)特優(yōu)勢。

新型聚氨酯不僅可以作為低溫機(jī)器人的“人造皮膚”，賦予機(jī)器人類似的觸覺感知能力，使其在極端環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)時更加靈活精準(zhǔn)，還在健康監(jiān)測領(lǐng)域展現(xiàn)出了卓越性能。

該材料能精準(zhǔn)監(jiān)測手指、手腕、肘部等關(guān)節(jié)的細(xì)微彎曲動作，甚至可以區(qū)分深、淺不同的呼吸模式。這為未來可穿戴醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展提供了新的可能性。

該材料的另一大優(yōu)勢是其形狀記憶功能。這一特性不僅延長了材料的使用壽命，也拓展了其在柔性機(jī)器人、智能紡織品等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

作者：張新瑞 陳天澤 徐靜

來源：中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所

責(zé)任編輯：宋同舟