王双飞院士团队NML：通过竞争性氢键实现的相分离摩擦电弹性体

近日， 王双飞院士 团队 聂双喜教授 课题组 受人体皮下组织的天然两相结构启发，提出了通过竞争性氢键诱导纤维素再生的相分离策略，实现了一种具有锁相结构的皮肤顺应性摩擦电弹性体。 利用聚合物-溶剂-非溶剂相互作用构建竞争性氢键体系，以触发相分离。由此制备的摩擦电弹性体具有双连续软-硬相交替结构，其较低的杨氏模量（6.8-281.9 kPa）和高拉伸性能（880%）与人体皮肤的力学性能相匹配。聚甲基丙烯酸羟乙酯（软相）和再生纤维素（硬相）中丰富的活性羟基使弹性体具备优异的摩擦正极性和自粘附性能（90°剥离强度大于70 N/m)。基于该弹性体的自供电触觉传感皮肤与工作对象保持了良好的界面和机械稳定性，极大地保证了软触觉传感信号的保真度和可靠性。该策略使柔性传感材料的类皮肤设计和广泛的力学动态可调性成为可能，为其从软机器人到可穿戴电子产品的广泛应用提供了一个通用平台。该项成果以题为 “Compliant Iontronic Triboelectric Gels with Phase-Locked Structure Enabled by Competitive Hydrogen Bonding” 发表在国际学术期刊 《Nano-Micro Letters》 上。

在人体皮下组织中，刚性的硬脂质颗粒被包裹在弹性组织基质中。组织基质提供了皮肤的粘弹性，镶嵌其中的脂质颗粒则负责耗散皮肤变形过程中受到的应力，共同承担起皮肤的低模量和高韧性。这种天然两相结构中有效的负载转移形式为摩擦电弹性体的类皮肤设计提供了仿生灵感。

图1.皮肤顺应性纤维素摩擦电弹性体的仿生设计原理

在弹性体成功制备之前，相分离已经在前驱体溶液中发生。利用量子化学中的密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）模拟验证了纤维素/HEMA/[Bmim]Cl体系中相分离的驱动力。

图2.通过竞争性氢键诱导体系相分离

通过纳米CT和原子力显微镜技术对弹性体中的锁相结构进行可视化分析，结果证明弹性体内部产生均匀且连续的相分离。由于体系未结晶，不同尺度的硬相聚集起到了物理交联和增强作用，对弹性体的粘弹性行为产生影响，特别是在应力响应和变形方面。

图3.摩擦电弹性体的流变性能和环境稳定性

有效的相间负载转移机制是摩擦电弹性体获得优异类皮肤力学性能的关键。在应力作用下，刚且脆的纤维素氢键网络优先断裂，牺牲性地耗散大量能量；稀疏交联的柔性聚合物网络作为隐藏长度，在应力作用下被大幅拉伸，并通过大变形承受应力。

图4.摩擦电弹性体的类皮肤力学性能

将摩擦电弹性体基电子皮肤组装成一种自供电假体皮肤，用于模拟人类皮肤的触觉感知能力。弹性体基触觉传感皮肤在0~100 kPa范围内均具有出色的传感灵敏度，并且具备承受瞬态高应力的能力。独特的摩擦电传感机制使其同时实现了物体识别和力度感知的双重功能，拓展了其在救援搜索、军事训练、深空探测等领域的应用范围。

图5.基于摩擦电弹性体的自供电触觉感知系统

本研究提出了一种基于竞争性氢键的相分离诱导机制，从而成功定制具有仿生力学特性的摩擦电弹性体。利用天然聚合物的溶解-再生过程，通过非溶剂建立竞争性氢键体系，引发液-固相分离。软相和硬相的交替穿插使弹性体保持了皮肤般的柔软度，其杨氏模量为150.6 kPa。同时，其机械强度显著提高，拉伸强度提高了810%，韧性提高了1650%。在此基础上制备的摩擦电触觉皮肤与人体建立了一个稳定、顺服的界面，展示了自供电传感机制和仿生力学特性的高效结合，有望推动软机器人、电子皮肤和触觉传感器等领域的创新发展。

原文链接： https://doi.org/10.1007/s40820-024-01387-4