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我院自修复超级可伸缩弹性导体材料的研制取得重要进展
发布时间：2018-07-25 阅读次数:882
近日，我院从怀萍教授研究组和中国科学技术大学俞书宏教授研究团队，利用金属纳米线的有序组装研制出兼具自修复性、高导电性以及优异抗拉伸性和电机械稳定性的弹性导体材料。相关成果以“Self-healing and superstretchable conductors from hierarchical nanowire assemblies”为题，发表在7月17日出版的英国《自然.通讯》上（Nature Communications 2018, 9, 2786, DOI: 10.1038/s41467-018-05238-w）。我院2015级博士生宋品和青年教师秦海利博士为共同第一作者。 
可拉伸电子器件在可穿戴电子器件、柔性能源和仿生器件等新兴领域具有重要应用，如何使拉伸导体在大拉伸形变条件下保持优异的电机械稳定性是该领域存在的重大挑战。
针对这一难题，我校科研人员首次提出将金属纳米结构三维组装导电骨架与金属-硫配位键引入到弹性聚合物凝胶网络结构中的设计理念，在经取向冷冻干燥技术制备的具有高度有序蜂窝结构的三维银纳米线气凝胶中进行原位聚合N-异丙基丙烯酰胺，成功研制出兼具自修复性、高导电性和电机械稳定性以及优异抗拉伸性能的新型弹性导体材料。
这种基于纳米、微米、宏观尺度的多级次等级有序结构，以及网络结构中聚合物链和银纳米线之间强相互作用，所构筑的弹性复合材料能够通过自身蜂窝结构形变和应力在整个网络中均匀分散而避免单一结构受力的协同机制有效地弛豫外力和耗散断裂能。因而，该弹性导体表现出媲美银纳米线气凝胶的高导电性（93 S/cm）、超高的拉伸形变能力（800%）以及优异的电机械稳定性和抗疲劳能力。其在100%拉伸应变下，电阻变化仅20%，在100%-800%应变下循环拉伸500圈，其不可逆电阻变化可以忽略。此外，由于动态可逆银-硫键的巧妙设计，该弹性导体材料表现出快速而高效的愈合能力，在1分钟时间内可实现自愈合，且愈合效率高达93%。更重要的是，修复后的材料仍然保持了优异的导电性能、机械性能和电机械稳定性。
这项研究为今后研制具有优越力学、电学性能的可修复抗拉伸导体材料设计和构筑提供了新思路，所制备的材料在柔性、可拉伸电子设备领域具有广泛的应用前景。
图1. 弹性导体材料的制备及其电机械性能。
图2. 弹性导体的自修复性能。
针对这一难题，我校科研人员首次提出将金属纳米结构三维组装导电骨架与金属-硫配位键引入到弹性聚合物凝胶网络结构中的设计理念，在经取向冷冻干燥技术制备的具有高度有序蜂窝结构的三维银纳米线气凝胶中进行原位聚合N-异丙基丙烯酰胺，成功研制出兼具自修复性、高导电性和电机械稳定性以及优异抗拉伸性能的新型弹性导体材料。
这种基于纳米、微米、宏观尺度的多级次等级有序结构，以及网络结构中聚合物链和银纳米线之间强相互作用，所构筑的弹性复合材料能够通过自身蜂窝结构形变和应力在整个网络中均匀分散而避免单一结构受力的协同机制有效地弛豫外力和耗散断裂能。因而，该弹性导体表现出媲美银纳米线气凝胶的高导电性（93 S/cm）、超高的拉伸形变能力（800%）以及优异的电机械稳定性和抗疲劳能力。其在100%拉伸应变下，电阻变化仅20%，在100%-800%应变下循环拉伸500圈，其不可逆电阻变化可以忽略。此外，由于动态可逆银-硫键的巧妙设计，该弹性导体材料表现出快速而高效的愈合能力，在1分钟时间内可实现自愈合，且愈合效率高达93%。更重要的是，修复后的材料仍然保持了优异的导电性能、机械性能和电机械稳定性。
这项研究为今后研制具有优越力学、电学性能的可修复抗拉伸导体材料设计和构筑提供了新思路，所制备的材料在柔性、可拉伸电子设备领域具有广泛的应用前景。
图1. 弹性导体材料的制备及其电机械性能。
图2. 弹性导体的自修复性能。
该工作得到了国家自然科学基金面上和重点项目、国际合作重点项目、国家重点基础研究发展计划、新世纪优秀人才支持计划、中央高校基本科研业务费专项资金、安徽省自然科学基金、合肥大科学中心卓越用户基金等项目的资助。
论文链接：http://www.nature.com/articles/s41467-018-05238-w
《中国科学报》 (2018-07-25 第4版 综合)对此作了报道：http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2018/7/337445.shtm
论文链接：http://www.nature.com/articles/s41467-018-05238-w
《中国科学报》 (2018-07-25 第4版 综合)对此作了报道：http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2018/7/337445.shtm
