柔性自愈材料具有良好的適應性、可擴展性和自恢復性，可以避免運動過程中損傷的不利影響，確保穩定的實時能量收集和精確的信號感知，是可穿戴電源或傳感器設備的理想基材。然而，受到多種動態鍵的限制，這些材料往往需要熱、壓、光等外部刺激來觸發愈合過程，且在適應惡劣環境方面面臨挑戰，如在低溫、水下條件或過冷的鹽水中水分子會干擾動態鍵的重組。另外，動態鍵系統內在的分子設計矛盾導
近日，王雙飛院士團隊基于高流動性和導電性的液態金屬（LM），通過超分子界面組裝策略將其融入富含多重動態鍵的聚二甲基硅氧烷（PDMS）中，制備了具有超高延展性（12000%）和顯著自愈合性能（~25℃，30min）的摩擦電材料（100V, 0.81W/m2），且能夠在極端環境下（-20℃，近紅外，水下）保持優異的自愈能力。這項成果以題為“Liquid Metal-Promoted Supramolecular Interactions Enable Ultrafast Self-Healing Triboelectric Materials with High Performance at Room Temperature”發表在《Nano Letters》上。2021級碩士生彭偉卿為本文第一作者，段青山副教授為通訊作者。張葉、章志君、趙輝、黃浩河、趙佳敏、程炳旭、何娟霞、許貝、尚柏均、聶雙喜教授等參與研究。
1.自愈超分子復合摩擦電材料設計策略
本研究提出了一種超分子界面組裝策略，實現了由微納LM液滴均勻嵌入可逆的微相分離共價網絡和非共價網絡組成的復合材料（SLM-PDMS）。其中，含有多重動態鍵的PDMS（S-PDMS）為骨架，LM為柔性導電填料。得益于S-PDMS中豐富的脲基，LM通過界面相互作用進入S-PDMS的超分子網絡中。該體系中的硅氧烷鏈段具有無定形結構，有利于氫鍵、亞胺鍵、二硫鍵和金屬鍵的動態重整；二硫鍵和金屬鍵促進材料的室溫自愈過程，亞胺鍵賦予了材料在多種環境下的自愈能力，氫鍵和金屬鍵通過可逆鍵斷裂和重整耗散應變能。此外，LM促進了摩擦起電過程，賦予高效電輸出。值得注意的是，多個動態鍵的協同作用使材料在柔韌性、延展性、摩擦電性能和自愈能力方面達到了良好的平衡。
2.自愈超分子復合摩擦電材料的制備在多層次結構LM-超分子復合材料的自組裝過程中，微納LM液滴通過表面氧化層（Ga2O3）均勻嵌入到S-PDMS中。變溫紅外等測試表明S-PDMS和Ga2O3殼層之間存在界面相互作用，這對于改善界面相容性制備均勻穩定的復合材料至關重要。
3.自愈與拉伸性能探究
SLM-PDMS復合材料表現出明顯的微相分離結構，非晶態硬段由氫鍵和二硫鍵組成的超分子聚脲組成，軟段由豐富的硅氧烷鏈組成。這種微相分離促進了局部區域損傷過程中的動態鍵重整。基于多重可逆動態鍵的SLM-PDMS有望在RT、鹽水和低溫等復雜環境中實現自主自愈合。此外，LM賦予了該材料近紅外光熱自修復能力，擴展了自愈材料的應用場景。而且，摻雜LM過后的復合材料力學性能沒有受到影響，得益于LM的高動態性，斷裂伸長率和應力獲得了增強。DSC和流變行為測試證實其粘流動特性，這是保持超高柔性和動態性的關鍵。
4.摩擦電性能探究
在摻雜LM后，器件的摩擦電性能獲得了顯著提升。Ga2O3是一種高界面態半導體，有利于捕獲摩擦電荷，因此在連續的接觸分離過程中積累的表面電荷量的增加導致電壓的增加。表面電勢和介電特性的變化進一步證實了LM對電荷轉移過程的促進作用。此外，TENG在長期愈合測試和循環測試中都表現出優異的摩擦電性能和魯棒性，有望長期穩定自供電用于人體健康傳感等新興應用。
5.自供電應變傳感器
由于LM與SLM-PDMS良好的潤濕性，基于SLM-PDMS與LM制備的單電極應變傳感器（C-TENG）實現了摩擦層與電極層的粘附與封裝。通過集成到手指等人體關節中，C-TENG實現了對人體運動的超快實時監測并且具備損傷后的快速修復能力。總體而言，C-TENG具有良好的可拉伸性、自愈性、抗拉強度、低延遲、靈敏度和形狀適應性，對先進可穿戴傳感器的設計具有廣泛的意義。
本研究提出了一種利用超分子界面組裝策略開發LM超分子復合材料柔性摩擦電材料的新策略。通過將柔性、導電的LM粒子錨定在具有多重動態鍵的非晶聚合物網絡中，成功構建了具有高遷移率的LM超分子自適應復合摩擦電材料。該方法解決了傳統柔性摩擦電材料在平衡自愈性、電氣性能和機械性能方面的困難，并將材料的恢復能力擴展到復雜的多環境（水下、低溫、光照）。該工作為推動柔性自愈TENG在可穿戴自供電傳感技術中的應用提供了一條有前景的途徑。
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https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00665