柔性聚合物材料在可穿戴電子設(shè)備、軟機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等應(yīng)用中備受關(guān)注。為了延長柔性材料使用壽命并保護(hù)其在動(dòng)態(tài)應(yīng)用環(huán)境中不受磨損，已有大量工作致力于開發(fā)柔性自修復(fù)材料。由于非共價(jià)相互作用的鍵能較低，基于可逆非共價(jià)相互作用制備的柔性自修復(fù)材料斷裂韌性普遍較低，通常在0.1-1.0 kJ m?2或更小范圍。上述內(nèi)在的分子設(shè)計(jì)矛盾導(dǎo)致存在微裂紋的柔性自修復(fù)材料在變形過程中很容易斷裂，從而降低、甚至剝奪基于柔性自修復(fù)材料集成的可拉伸設(shè)備的操作穩(wěn)定性。針對(duì)上述問題，科研工作者嘗試了很多策略在不同尺度下對(duì)柔性自修復(fù)材料進(jìn)行增韌，包括：在柔性聚合物網(wǎng)絡(luò)中引入共價(jià)交聯(lián)中心，利用剛性聚合物構(gòu)建微納相分離結(jié)構(gòu)，或者將剛性填料嵌入柔性聚合物基質(zhì)中來轉(zhuǎn)移局部應(yīng)力。然而，上述策略都會(huì)不可避免暗地犧牲材料的柔性。
基于前期工作(Mater. Horiz. 2021, 8, 3356.)，團(tuán)隊(duì)首先采取打破結(jié)晶、激活硬相氫鍵的策略成功制備了柔性自修復(fù)聚脲，隨后利用機(jī)械剪切誘導(dǎo)取向的策略向其中引入核殼結(jié)構(gòu)的紡錘形液態(tài)金屬微米顆粒；這種顆粒外殼為剛性金屬氧化物，內(nèi)核為在室溫下維持液態(tài)性質(zhì)的鎵銦錫合金，剛性氧化物殼的形成解決了液態(tài)金屬顆粒易團(tuán)聚的難題，同時(shí)氧化殼與聚脲的配位作用也保證顆粒能穩(wěn)定、均勻地分散在聚脲基體中，從而成功地構(gòu)建了柔韌的仿生材料。
類似于平滑肌細(xì)胞，當(dāng)該仿生材料遭受損傷時(shí)，金屬氧化物外殼的破裂及氧化外殼與聚氨酯的配位作用的破壞均能帶來機(jī)械能耗散，而液態(tài)內(nèi)核能夠使應(yīng)變過程中裂紋偏轉(zhuǎn)并最終消除垂直于應(yīng)變方向的裂紋，從而賦予材料優(yōu)異的抗撕裂性能和斷裂韌性。基于這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠突破理論極限，使得柔性聚脲的斷裂能提高到34.9倍，達(dá)到111.16 kJ m-2，臨界斷裂應(yīng)變提高到12.2倍。值得注意的是，受到不同程度損傷的SSPUGIT甚至能維持與完好樣品相同的斷裂應(yīng)變，這在柔性材料中是極為罕見的。
上述性質(zhì)與材料斷裂行為的改變密不可分。作者通過SEM監(jiān)測(cè)了預(yù)缺口試樣加載時(shí)裂紋尖端周圍的裂紋演化來研究仿生材料的斷裂行為和增韌機(jī)制。對(duì)于初始聚脲樣品，其缺口裂紋很容易在水平方向上迅速擴(kuò)展并穿過整個(gè)樣品，形成光滑斷面。相反，當(dāng)仿生復(fù)合材料中的裂紋前進(jìn)并觸及到伸長的液態(tài)金屬顆粒時(shí)，氧化殼首先斷裂耗能，暴露出的液態(tài)金屬內(nèi)核并使其與聚脲基體接觸；由于聚脲與液態(tài)金屬內(nèi)核的相互作用弱于SSPU基體內(nèi)聚能，裂紋傾向于沿液態(tài)金屬顆粒與聚脲的界面擴(kuò)展，導(dǎo)致裂紋的縱向偏轉(zhuǎn)直至達(dá)到仿生復(fù)合材料的上下兩端，從而提高了臨界斷裂應(yīng)變和斷裂能。
液態(tài)金屬顆粒的引入還為仿生材料帶來了優(yōu)越的光熱修復(fù)功能。入射光線在數(shù)量眾多、尺寸分布范圍光的液態(tài)金屬顆粒的粗糙氧化殼上反復(fù)反射吸收，在寬波段范圍內(nèi)幾乎完全被吸收；通過液態(tài)金屬氧化殼的表面等離子共振效應(yīng)，吸收的光被高效的轉(zhuǎn)化為熱，使近紅外光照射的區(qū)域溫度迅速升高。通過對(duì)待修復(fù)區(qū)域照射近紅外線，仿生材料能在1min內(nèi)實(shí)現(xiàn)98.13%的高修復(fù)效率。
同時(shí)，液態(tài)金屬顆粒還可以極大提高柔性聚脲的介電性能并保證了材料的柔性，這種低模量-高介電常數(shù)的性能組合使得仿生復(fù)合材料可用于開發(fā)可拉伸電容傳感器。開發(fā)的柔性電容傳感器不僅擁有更低的檢測(cè)下限，同時(shí)具有高斷裂韌性和光控修復(fù)性能。基于上述特性，該柔性傳感器可用于檢測(cè)乒乓球訓(xùn)練中的運(yùn)動(dòng)員的擊球是否符合要求幫助糾正運(yùn)動(dòng)員錯(cuò)誤的接球動(dòng)作。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-35810-y
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