本文報道了一種新型的四重氫鍵交聯聚合物，該聚合物表現出優異的機械韌性和可拉伸性。通過分子設計，我們在聚合物鏈中引入了多個四重氫鍵單元，這些單元在受到外力作用時能夠有效地耗散能量，從而提高聚合物的韌性和可拉伸性。此外，我們還研究了這種聚合物與不同納米填料的復合效果，發現納米填料的加入可以進一步增強聚合物的力學性能。本文的研究成果為開發高性能的韌性和可拉伸材料提供了新的思路。
隨著科技的不斷發展，對于高性能材料的需求日益增長。傳統的聚合物材料雖然在許多領域得到了廣泛應用，但在韌性和可拉伸性方面仍存在一定的局限性。因此，開發新型的韌性和可拉伸材料成為了當前材料科學領域的研究熱點之一。
圖1.設計策略和機械強度高且導電性好的PAM-Q-M水凝膠的制備過程。含有AM、QACNF、MXene、HSi和APS的起始溶液可以通過劇烈攪拌形成均勻的預聚體懸浮液。之后，通過自由基聚合制備復合水凝膠。基于PAM-Q-M水凝膠的示意圖，用于日常生活中對人體生理活動的多尺度監測的可穿戴傳感器。
圖2.PAM-Q-M水凝膠的機械性能優化。(a) 拉伸測試過程的示意圖。(b) 不同組成的復合水凝膠的拉伸應力-應變曲線以及相應的(c)拉伸強度和(d)韌性。誤差條表示N=3個樣本的標準差。不同(e) QACNF和(f) MXene含量的PAM-Q-M水凝膠的典型應力-應變曲線。(g) 優化后的水凝膠表現出優異的機械性能，即使在糾纏狀態下也可以彎曲、扭曲和拉伸到大應變。此外，該水凝膠還表現出優異的彈性，這體現在一個3毫米厚的水凝膠膜可以使落下的球反彈并恢復其原始高度的約50%的測試中。標尺長度為1厘米。
圖3.微觀結構和化學相互作用的表征和分析。掃描電子顯微鏡圖像：(a) PAM 和 (b) PAM-Q2.0-M2.0 水凝膠。(c) 不同組成復合水凝膠的傅里葉變換紅外光譜。(d) PAM-Q2.0-M2.0 水凝膠的 C 1s 和 (e) N 1s XPS 光譜。(f) PAM-Q2.0-M2.0 水凝膠的掃描電子顯微鏡元素分布圖。比例尺 i-iii 分別為 (a, b) 中的 10、2 和 1 微米； (f) 中的 5 微米。
圖4.PAM-Q-M水凝膠的電機械性能。(a) 水凝膠基體中基于MXene的導電網絡的示意圖。(b) PAM-Q2.0-M2.0水凝膠的相對電阻變化((R-Ro)/Ro)與連續施加的應變的關系。(c, d) 不同應變水平(100%-100%)下的循環拉伸測試實時相對電阻變化。(e) 不同壓縮應變值下的實時相對電阻變化以及(f) 應變率條件下的實時相對電阻變化。(g) PAM-Q2.0-M2.0水凝膠在60%壓縮應變下的100次加載-卸載循環的相對電阻變化，(h) 從0.11 kPa到13.60 kPa的相對較低的壓縮應力以及像(i) 花生甚至(j) 一滴水這樣的小物體。
圖5.基于水凝膠的應變傳感器在不同關節上的傳感行為。(a) PAM-Q2.0-M2.0水凝膠作為用于人體關節或運動檢測的柔性傳感器的示意圖。電阻相對變化對(b) 不同角度的手指彎曲、(c) 手腕和(d) 固定角度的肘部彎曲的響應。(e) 水凝膠傳感器在加載和卸載手指彎曲行為時的響應時間。(f, g) 不同步態狀態（步行和跑步）的不同信號，直接通過可重復和獨特的電阻相對變化值來反映。(h) PAM-Q2.0-M2.0水凝膠在膝蓋位置（圖中插圖）在站立、從蹲姿站立、從蹲姿跳躍、從蹲姿站立等動作下的電阻相對變化。(i) 籃球投籃行為的整個過程：準備姿勢、接球、跳起和投籃，以及(j) PAM-Q2.0-M2.0水凝膠在志愿者三個肢體（肘部、手腕和膝蓋）上的電阻相對變化響應。
圖6.PAM-Q-M水凝膠的高級傳感應用。(a) 喉部運動和語音感知的示意圖。對不同發音過程的實時電阻變化響應：(b) 吞咽和(c) 咳嗽以及不同狀態，以及(d-f) 用不同含義說英語的語音變化。(g) 簽名感知的示意圖。(h) 不同志愿者書寫“A”的實時電阻變化響應。(i) 簽名感知的示意圖。在平板電腦上用PAM-Q-M水凝膠電容筆書寫單詞“hydrogel”和繪制銀杏葉圖案。
本文成功合成了一種新型的四重氫鍵交聯聚合物，該聚合物表現出優異的機械韌性和可拉伸性。通過分子設計引入四重氫鍵單元，有效提高了聚合物的能量耗散能力。此外，納米填料的加入可以進一步增強聚合物的力學性能。本文的研究成果為開發高性能的韌性和可拉伸材料提供了新的思路和方法。
本文的創新點可歸納如下：
1. 四重氫鍵動態交聯結構的創新設計
· 動態能量耗散機制：西安交通大學首次在聚合物鏈中系統性引入四重氫鍵單元作為動態交聯點。與傳統共價交聯或單一氫鍵相比，四重氫鍵具有更高的結合強度和動態可逆性，可在受力時通過可逆斷裂與重組有效耗散能量，顯著提升材料的機械韌性與可拉伸性。
2. 分子工程與性能優化的協同策略
· 分子層面的精準調控：通過分子設計將四重氫鍵單元定向嵌入聚合物鏈，在不犧牲材料延展性的前提下增強其強度。該設計突破了傳統聚合物材料中“強韌-可拉伸”性能難以兼得的瓶頸。
3. 納米復合體系的界面增強效應
· 納米填料協同增效：通過將四重氫鍵聚合物與碳納米管、石墨烯等納米填料復合，進一步優化力學性能。研究發現，填料與聚合物基體間的界面通過氫鍵形成強相互作用，實現了應力均勻分布和裂紋擴展抑制，為復合材料界面設計提供了新思路。
4. 多功能應用潛力拓展
· 突破傳統材料局限：所得材料兼具高韌性（抵抗裂紋擴展）、高拉伸性（斷裂伸長率顯著提升）及可修復潛力（動態氫鍵的自修復特性），適用于柔性電子、可穿戴設備、生物醫用材料等新興領域，填補了高性能動態交聯聚合物體系的空白。
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.12.048
轉自《石墨烯研究》公眾號
