科学的最新奇迹:电子材料在撞击中变得更坚固

诸平

Fig. 1 Researchers have developed a soft, flexible material with adaptive durability that strengthens upon impact, suitable for wearable technology and medical sensors. Credit: SciTechDaily.com

Fig. 2 This flexible and conductive material has “adaptive durability,” meaning it gets stronger when hit. Credit: Yue (Jessica) Wang

据美国化学会（American Chemical Society）2024年3月31日提供的消息，科学的最新奇迹:电子材料在撞击中变得更坚固（Science’s Latest Marvel: Electronic Material That Grows Tougher on Impact）。

一种新的柔性导电材料模仿玉米淀粉浆料（cornstarch slurries）的自适应强度，在可穿戴和医疗传感器技术中提供了有前途的应用。

事故每天都会发生，如果你的智能手表掉在地上，或者它被重重地撞了一下，它可能就不能再工作了。但现在，研究人员报告了一种柔软、灵活的材料，具有适应性耐久性，这意味着它在受到撞击或拉伸时会变得更强。这种材料还能导电，是下一代可穿戴设备或个性化医疗传感器的理想选择。

研究人员在美国化学会(American Chemical Society简称ACS)2024春季会议（ACS Spring 2024）上公布了他们的研究结果。ACS2024春季是一次混合会议（Scenes from the ACS Spring 2024 hybrid meeting in New Orleans），于2024年3月17~21日举行虚拟和面对面的会议;它以一系列科学主题的近12000个演讲为特色。

烹饪食材的灵感（Inspiration From Cooking Ingredients）

这种新材料的灵感来自于一种通常用于烹饪玉米淀粉浆的混合物。该项目首席研究员、材料科学家王悦{Yue (Jessica) Wang}解释说:“当我慢慢搅拌玉米淀粉和水时，勺子很容易移动。但是如果我把勺子拿出来，然后把混合物刺进去，勺子就不会回去了。就像在坚硬的表面上刺一样。”这种浆液有助于使炖菜和酱汁变稠，具有自适应耐久性（adaptive durability），根据施加的力从可塑到坚固。王悦的团队开始在固体导电材料中模拟这种特性。

博士后研究员吴迪（Di Wu音译）谈到了他正在帮助开发的一种聚合物材料，这种材料具有柔韧性，并根据其运动方式变得更坚固。

材料开发（Development of the Material）

许多导电材料，如金属，是坚固的、硬的或脆的。但研究人员已经开发出一种方法，利用共轭聚合物制造柔软可弯曲的材料，这种聚合物长而像意大利面一样的分子是导电的。然而，大多数柔性聚合物在经受反复、快速或大的冲击时就会破裂。因此，美国加州大学默塞德分校（University of California, Merced）的王悦团队开始选择合适的共轭聚合物组合来制造一种耐用的材料，这种材料可以模仿玉米淀粉颗粒在水中的适应性行为。

最初，研究人员制作了四种聚合物的水溶液:长的意大利面状聚(2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸){poly(2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid)}，较短的聚苯胺分子（polyaniline molecules）和高导电性的组合物即聚(3,4-乙烯二氧噻吩) : 聚苯乙烯磺酸酯{ poly(3,4-ethylenedioxythiophene) : polystyrene sulfonate简称PEDOT : PSS}。在铺上一层薄薄的混合物并将其干燥成薄膜后，研究小组测试了这种弹性材料的机械性能。

增强材料性能（Enhancing Material Properties）

他们发现，它并没有因为快速撞击而分裂，而是变形或伸展。撞击速度越快，薄膜就变得越有弹性和韧性。令人惊讶的是，仅添加10%的PEDOT : PSS就能提高材料的导电性和自适应耐久性。王悦指出，这一结果是出乎意料的，因为就其本身而言，PEDOT和PSS不会因快速或高影响而变得更强。

这4种聚合物，2种带正电荷，2种带负电荷，像一大碗意大利面和肉丸缠绕在一起，王悦实验室的博士后研究员吴迪解释说，他在会议上介绍了这项工作。吴迪说，“因为带正电的分子不喜欢水，所以它们聚集成肉丸状的微观结构。”研究小组的假设是，这种适应性行为是由于肉丸吸收了撞击的能量并在撞击时变平，但没有完全分裂。

然而，吴迪想看看如何添加小分子来制造一种复合材料，这种材料在拉伸或快速下降时甚至更坚固。因为所有的聚合物都带电荷，研究小组选择带正电荷、负电荷或中性电荷的分子进行测试。然后，他们评估了添加剂如何改变聚合物的相互作用，并影响每种材料的自适应耐久性。

初步结果表明，带正电的1,3-丙二胺（1,3-propanediamine）纳米颗粒是最佳添加剂，具有最大的自适应功能。吴迪说，这种添加剂削弱了形成肉丸的聚合物之间的相互作用，使它们在受到撞击时更容易被推开和变形，并加强了紧密缠绕的“意大利细面条”（“spaghetti strings”）。

吴迪说：“在我们的材料中加入带正电的分子，使其在更高的拉伸率下更加坚固。”

先进应用和未来工作（Advanced Applications and Future Work）

王悦说，在未来，该团队将转向展示他们的轻质导电材料的适用性。可能的产品包括软性可穿戴设备，如智能手表的集成腕带和背面传感器，以及用于健康监测的柔性电子产品，如心血管传感器或连续血糖监测仪。此外，该团队制定了3D打印自适应材料的先前版本，并制作了团队成员手的复制品，展示了将其纳入个性化电子假肢（personalized electronic prosthetics）的潜力。王悦认为新的复合材料版本也应该与3D打印兼容，以制作任何想要的形状。

王悦解释说，这种材料的自适应耐久性意味着未来的生物传感器设备可以足够灵活，可以进行常规的人体运动，但如果它们被意外撞击或重击，也能抵抗损坏。“还有有很多潜在的应用，我们很高兴看到这种新的、非常规的特性将把我们带向何方。”

这项研究得到了美国加州大学默塞德分校（University of California, Merced）、美国国家科学基金会职业基金（National Science Foundation CAREER grant）、以及阿诺德和梅布尔·贝克曼基金会青年研究员奖（Arnold and Mabel Beckman Foundation’s Young Investigator award）的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Hitting this stretchy, electronic material makes it tougher

Scenes from the ACS Spring 2024 hybrid meeting in New Orleans

Effect of additives on deformation rate-adaptive conducting polymers

Abstract 

Deformation-rate adaptive properties endow polymeric materials with higher strength, elongation at break, and toughness under faster impact. A conductive polymer system consists of two polyelectrolyte complexes, polyaniline:poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid (PANI:PAMPSA) and poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS), along with 35 wt% propanesulfonic acid (PSA) and 10 wt% water as plasticizers, showed deformation-rate adaptive behavior. Our previous work suggested that the adaptive behavior is likely due to the disintegrating of the micelles formed by hydrophobic PANI and hydrophilic PAMPSA under fast deformation rates, while the additive (i.e., PSA) is hypothesized to tune adaptive behavior via affecting the formation of micelles. To fully decipher the role of additives, the same polyelectrolyte system containing negatively-charged PSA, positively-charged 1,3-propanediamine (13DA), or neutral glycerol (Gly) were investigated. While the rate-adaptive behavior was confirmed by tensile testing in the samples with all the three additives, 13DA showed the greatest improvement of Young’s modulus, tensile strength, elongation at break, and toughness at higher deformation rates. Oscillatory shear and stress-relaxation studies reveal that the deformation-rate adaptive behavior originated from the transient networks formed by the agglomeration of hydrophobic PANI and PEODT segments in our materials. The positively-charged, basic additive, 13DA, could further facilitate the formation of networks by screening the polyelectrolyte interactions and bridging the polyanions. This study unearths the mechanism of deformation-rate adaptive behavior in this model polymer system, and it can be potentially applied on fabricating other novel and robust polymeric materials.