研究背景

导电弹性体是构筑下一代柔性电子器件的关键基础材料，广泛应用于可穿戴传感器、智能人机界面、先进健康监测及软体机器人等领域。然而，现有导电弹性体仍存在显著性能局限：对微弱机械刺激(如轻压)的传感灵敏度不足；材料固有的致密结构导致密度偏高、机械顺应性较差，影响长期穿戴的舒适性与实用性；对石油基合成聚合物的依赖也带来了环境可持续性问题。

提升此类弹性体的机电灵敏度通常依赖于引入导电填料(如碳基纳米材料、金属纳米结构或本征导电聚合物)，但这种方法易在循环变形中引发界面不稳定，导致信号漂移、机械疲劳及功能过早退化。更关键的是，以往的设计常以牺牲结构顺应性与密度优化为代价，优先追求电学与力学性能，致使材料质量与刚度上升、可变形性降低，从而显著削弱了其在可穿戴应用中的机械灵敏度、动态负载响应能力及整体舒适度。此外，传统的轻量化策略(如超临界CO₂发泡、化学刻蚀、冷冻干燥及增材制造)往往需要苛刻的加工条件，其中使用的高温、高压或侵蚀性溶剂易导致热敏性生物质基体降解或其精细分子结构破坏。因此，开发一种能够在温和条件下构建可调多孔结构，同时实现高传感性能与机械适应性的高效、可持续策略，仍是生物质衍生导电弹性体领域亟待突破的挑战。

Dynamic Network- and Microcellular Architecture-Driven Biomass Elastomer toward Sustainable and Versatile Soft Electronics

Shanqiu Liu*, Yi Shen, Yizhen Li, Yunjie Mo, Enze Yu, Taotao Ge, Ping Li* & Jingguo Li*

Nano-Micro Letters (2026)18: 88

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01942-7

本文亮点

1. 分子设计与结构创新：生物质衍生导电弹性体具备动态共价网络与微孔结构，通过室温、低压CO₂发泡技术，实现了材料轻量化的精准调控。

2. 卓越的机械、传感性能：所得微孔弹性体表现出超低密度(~0.25 g cm⁻³)、高拉伸性(断裂伸长率>500%)和优异的弹性回复率(>93%)。并能在细微(<1%)或大幅(>200%)机械刺激下实现快速精准的电学响应。

3. 本征可持续特性：材料内部动态相互作用赋予其高效的室温自修复能力与完整的可循环回收性，且性能无损，为先进柔性电子器件的可持续与规模化制造提供了支撑。

内容简介

针对柔性可穿戴电子器件对轻量化、高灵敏度与可持续性的核心需求，浙江工业大学刘善秋教授团队、中国科学技术大学李景国教授团队和西安交通大学李平副教授团队创新性地提出了 “动态交联网络-可调微孔架构”协同设计策略。基于此，团队在室温、低压力CO₂的温和条件下，成功制备出一种生物质基导电弹性体。该材料表现出众：密度仅约0.25 g·cm⁻³，凭借微孔结构产生的 “微弹簧效应”，实现了超过500%的断裂伸长率与优异的弹性回复，并能对小于1%的微应变与超过200%的大形变均产生即时、稳定的电响应。同时，材料内部的动态相互作用使其具备高效的室温自修复能力与完整的可循环回收特性。研究还通过第一性原理模拟，揭示了微孔结构形成及其赋能功能的机理。此项工作为发展面向下一代软电子的高性能、绿色可持续且可规模化的导电弹性体提供了具有普适性的新方案。

图文导读

I 材料合成、表征与微孔构建机制

如图1所示，展示了功能化微孔复合材料的制备流程与化学表征。清晰揭示了从SiO₂纳米颗粒氨基化、硫辛酸(LA)接枝，到与LA单体及离子液体(IL)共混形成动态交联网络，最终在温和CO₂条件下发泡获得微孔结构的全过程。

图1. 合成与表征。

II 微孔结构工程与形成机理

图2直观呈现了微孔化过程与内在机制，在CO₂浸渍过程中，受压的CO₂溶解并扩散到聚合物基体中，通过削弱氢键和离子相互作用诱导塑化效应，增加分子间自由体积，从而提升分子链迁移率。同时，纳米颗粒作为异相成核的优先位点，有效降低孔洞形成的能垒。快速泄压后，溶解的CO₂逐渐向外扩散，为孔隙成核和生长提供了动力。在较低的CO₂压力下(1 MPa)，由于热力学驱动力不足以克服成核能势垒，气泡形成有限，从而限制了气泡的成核和生长，而在较高的CO₂压力下(5 MPa)，可获得更细小、致密的微孔结构，这归因于高压下纳米颗粒/聚合物界面处能垒降低，提升了异相成核效率。此外，较小的纳米颗粒能提供更多成核位点，从而形成更精细的孔结构与更高的孔密度；而过高的纳米颗粒负载则会通过增强交联提高基体刚性，限制结构膨胀，导致孔径与整体孔隙率下降。缺乏纳米颗粒的复合材料则因结构稳定性不足，形成不规则且不稳定的孔洞。

除此之外，结合密度泛函理论(DFT)计算与实验表征，系统揭示了CO₂的引入可降低动态二硫键等分子间相互作用的结合能并增大键长，阐明了CO₂塑化作用降低孔洞成核能垒的分子机制。

图2. 微孔性和模拟计算。

III 强韧且适应性强的机械性能

在循环拉伸测试中，微孔复合材料表现出显著减小的滞后环，表明其弹性回复增强、能量耗散降低。与致密材料相比，微孔弹性体在重复加载下耗散能与耗散效率明显降低，同时循环稳定性显著更优，展现出卓越的弹性恢复能力。这种增强的弹性源于微孔框架与因自由体积扩大而提升的聚合物链迁移率之间的协同作用。在拉伸或压缩变形时，聚合物孔壁储存弹性势能，孔结构变形增加内部气体压力。卸载后，内部压力再平衡与孔壁弹性回缩共同产生“微弹簧”效应，显著放大宏观回弹。此外，微孔结构增大的自由体积减少了链间摩擦耗散，可钝化裂纹尖端、降低断裂能释放率。

图3. 力学性能和机械适应性。

IV 高灵敏且稳定的实时传感性能

得益于其优化的力学性能、结构柔韧性及本征离子导电性，多孔结构复合材料展现出优异的传感性能，包括高灵敏度、快速响应和出色的信号稳定性。引入微孔结构显著提高了复合材料对拉伸和压缩应变的敏感性，这主要源于相互连通的微孔结构可有效放大局部变形，从而在相同外应力下产生更大应变。此外，内部孔壁之间重复的接触-分离事件显著地增强了应变传感信号。拉伸应变下电阻的动态变化与放大的变形有机械联系：拉伸分离了导电孔壁，延长并收窄聚合物基质内的离子传输路径，导致总电阻增加。相反，压缩应变迫使孔壁更紧密地接触，缩短和拓宽导电通道，从而降低阻力。

由氢键与静电相互作用维持的连续离子通道确保了电导率的瞬时恢复，支撑了准确、稳定的实时应变监测能力。该材料对温度波动也表现出高灵敏度，其内部离子电导率随温度变化而发生显著改变。值得注意的是，材料能精确捕捉如乒乓球从不同高度跌落产生的轻微冲击等微弱机械刺激，即使在1%微小应变幅度的反复循环加载下，传感信号仍能保持实时稳定且无显著漂移，显示出对微弱机械刺激的稳定响应特性。

图4. 高灵敏度、稳定的实时传感能力。

V 高效的室温自修复性、闭环可回收性和综合性能优势

自修复能力对于保障材料在实际应用中的长期可靠性至关重要。与具有刚性、不可修复结构的传统材料不同，本工作设计的微孔结构复合材料集成了动态二硫键与氢键，赋予其室温下无需外部刺激即可实现本征自修复的能力。这主要归功于相互连通的多孔结构显著增大了修复界面的接触面积与聚合物链迁移率，促进了损伤处动态化学键的快速重组。

图5. 室温有效的自愈能力。

该材料还展现出优异的闭环可回收性。回收再生的复合材料在多次循环使用中能保持一致的形态、机械强度与功能性能。反复回收后，其孔径与孔隙率变化可忽略不计，表明结构完整性保持良好。对力学性能、弹性回复、自修复效率及传感性能的评估显示，回收材料的各项性能均与原始状态相当。这种出色的稳定性源于动态化学相互作用的可逆性，使其能够在不损失性能的前提下实现结构的多次重构。

与气凝胶等多孔导电材料相比(后者常因脆性与有限的可变形性而局限于压缩传感应用)，本工作开发的弹性体兼具优异的拉伸性与机械响应性，是用于可穿戴与柔性电子器件的理想材料。

图6. 优异的可回收性。

VI 总结

本研究通过巧妙的分子设计与创新的温和加工工艺，成功开发出一种兼具超轻、高弹、高灵敏传感、自修复及可闭环回收特性的高性能生物质导电弹性体。研究团队利用动态共价化学构建了对CO₂具有高亲和性的生物质衍生网络，首次实现在室温、低压条件下对聚合物材料进行可控微孔发泡。这一微孔结构不仅是实现超轻量化的关键，更通过其独特的力学行为(微弹簧效应)和应变放大效应，协同提升了材料的弹性回复能力和应变传感灵敏度。此外，贯穿于基体的动态可逆共价键与物理相互作用，确保了材料优异的室温自修复性能和完整的可回收性。该工作不仅为解决柔性电子领域对轻质、灵敏及可持续材料的综合需求提供了一个理想的材料平台，更从分子工程、结构创新到生命周期管理层面，为未来多功能聚合物材料的设计与绿色制造提供了新的研究范式和技术路径。

作者简介

刘善秋

本文通讯作者

浙江工业大学 教授

▍主要研究领域

(1)功能微/纳孔材料；(2)智能材料与器件；(3)特殊浸润性功能表界面与功能型涂层材料。

▍主要研究成果

荷兰特文特大学博士，瑞士苏黎世大学博士后，现任职浙江工业大学，入选浙江省海外高层次引才计划，钱江特聘专家，运河青年学者人才计划及南太湖精英计划，现为中国青科协与浙江省青科协成员。

▍Email：shanqiuliu@zjut.edu.cn

李景国

本文通讯作者

中国科学技术大学 教授

▍主要研究领域

(1)光电催化过程中的表界面化学；(2)氧化还原导电金属有机框架；(3)环境能源功能材料。

▍主要研究成果

2021年在瑞士苏黎世大学取得博士学位，瑞典乌普萨拉大学博士后，现任职中国科学技术大学，2023年入选国家高层次青年人才计划。

▍Email：lijg@ustc.edu.cn

李平

本文通讯作者

西安交通大学 副教授

▍主要研究领域

(1)探索新型自旋拓扑态及其场效应管的设计；(2)探索界面效应诱导的新奇量子效应；(3)铁谷、铁磁、铁电等多铁耦合诱导新奇物性研究；(4)反常霍尔效应(量子反常霍尔效应)、自旋霍尔效应、非线性霍尔效应研究；(5)机器学习探索磁性起源。

▍主要研究成果

物理实验青年编委，陕西省青年科技新星，“国创计划”优秀指导教师，MGE Advances青年编委，中国物理学会(CPS)终身会员，英国物理学会(IOP)值得信赖审稿人，入选全球前2%顶尖科学家2022-2024年榜单。

▍Email：pli@xjtu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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