近年來，柔性電子器件飛速發(fā)展，它們被廣泛用于醫(yī)療診斷、監(jiān)測和柔性機(jī)器人等領(lǐng)域。然而，這種器件的不足之處在于，由于其柔軟的性質(zhì)，它們對機(jī)械損傷非常敏感。如果能夠?qū)⒆晕倚迯?fù)功能引入到現(xiàn)有的柔性器件中，使其能夠在受到外力破壞后自我恢復(fù)，將會極大提高設(shè)備的壽命、可靠性和耐用性。
對于大多數(shù)柔性電子器件來講，我們非常希望它能夠防水或者在水下使用，因為器件在使用過程中，不可避免的會遇到各種濕度環(huán)境，例如人的汗水或者自然的雨水。除非材料對水不敏感，否則這些裝置在遇到水后會發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而影響相關(guān)功能。因此，我們需要開發(fā)一種可以用于真實柔性電子器件場景下的水下自修復(fù)材料。
在該領(lǐng)域的早期研究階段，所有已報道的水下自修復(fù)材料主要有兩種：
1）含有硼酸酯或硼氧辛鍵的硼酸衍生物；
2）天然形成的鄰苯二酚基團(tuán)。然而，它們都有局限性。硼酸衍生物會發(fā)生嚴(yán)重的水解，在水中非常不穩(wěn)定。鄰苯二酚基團(tuán)對pH值非常敏感。
最近，有很多研究者報道了具有水下自修復(fù)功能的彈性體，但都存在自修復(fù)效率較低、力學(xué)性能較差等不足，不能真正用于水下柔性電子器件。因此，當(dāng)前該領(lǐng)域的需求可以概括為：
1）開發(fā)高強(qiáng)度、可高效水下修復(fù)的材料；
2）深入研究將此類材料用于復(fù)雜的水下電子系統(tǒng)中。
基于這些問題，以色列理工學(xué)院Hossam Haick教授課題組研發(fā)了一種新型水下自修復(fù)熱塑性彈性體。他們以端羥基聚丁二烯（HTPB）為原料，通過異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）和4-氨基苯基二硫化物（APDS）兩個主要反應(yīng)合成了一種新的聚合物PBPUU，相關(guān)制備過程如圖1所示。其中，HTPB部分提供了低溫彈性和優(yōu)異的耐水性，APDS組分提供了動態(tài)的二硫鍵和氫鍵。基于共價鍵（二硫鍵）和非共價鍵（氫鍵）的兩種綜合自愈機(jī)制的存在以及聚合物的高柔軟性使其成為一種非常有效的自修復(fù)材料。
作者測試了PBPUU在不同的水環(huán)境中的自愈合能力，包括自來水、海水、酸性溶液（pH=3）和堿性溶液（pH=11）。該彈性體在不同的溶液環(huán)境中的自修復(fù)效率都達(dá)到了80%以上（24 h），這種良好的水下自修復(fù)能力來源于PBPUU中高度疏水重復(fù)單元（聚丁二烯）。力學(xué)測試結(jié)果表明，該聚合物具有良好的力學(xué)性能，伸長率可達(dá)1100%，最大拉伸強(qiáng)度為6.5 MPa（圖2）。
為了研究結(jié)構(gòu)設(shè)計對聚合物在水環(huán)境中行為的影響，作者進(jìn)行了分子動力學(xué)模擬（圖3）。作者將PBPUU與PPGPUU兩種聚合物進(jìn)行對比，其中，PPGPUU的重復(fù)單元將丁二烯變成了丙二醇。研究發(fā)現(xiàn)，PBPUU在水中存在著軟硬相分離，水分子只與PBPUU的硬相相互作用，幾乎不擴(kuò)散到PBPUU的軟相。相反，對于PPGPUU，水分子跨越了聚合物的軟相區(qū)域，破壞了分子間作用力，并導(dǎo)致高溶脹率。這些結(jié)果也通過溶脹實驗得到了驗證。
最后，作者展示了該材料在水下電子皮膚和應(yīng)變傳感器的應(yīng)用（圖4,5）。我們相信，隨著水下自修復(fù)材料的發(fā)展，將為今后柔性電子器件的應(yīng)用提供更為廣闊的前景。
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201910196
