本文报道了一种新型的四重氢键交联聚合物，该聚合物表现出优异的机械韧性和可拉伸性。通过分子设计，我们在聚合物链中引入了多个四重氢键单元，这些单元在受到外力作用时能够有效地耗散能量，从而提高聚合物的韧性和可拉伸性。此外，我们还研究了这种聚合物与不同纳米填料的复合效果，发现纳米填料的加入可以进一步增强聚合物的力学性能。本文的研究成果为开发高性能的韧性和可拉伸材料提供了新的思路。
随着科技的不断发展，对于高性能材料的需求日益增长。传统的聚合物材料虽然在许多领域得到了广泛应用，但在韧性和可拉伸性方面仍存在一定的局限性。因此，开发新型的韧性和可拉伸材料成为了当前材料科学领域的研究热点之一。
图1.设计策略和机械强度高且导电性好的PAM-Q-M水凝胶的制备过程。含有AM、QACNF、MXene、HSi和APS的起始溶液可以通过剧烈搅拌形成均匀的预聚体悬浮液。之后，通过自由基聚合制备复合水凝胶。基于PAM-Q-M水凝胶的示意图，用于日常生活中对人体生理活动的多尺度监测的可穿戴传感器。
图2.PAM-Q-M水凝胶的机械性能优化。(a) 拉伸测试过程的示意图。(b) 不同组成的复合水凝胶的拉伸应力-应变曲线以及相应的(c)拉伸强度和(d)韧性。误差条表示N=3个样本的标准差。不同(e) QACNF和(f) MXene含量的PAM-Q-M水凝胶的典型应力-应变曲线。(g) 优化后的水凝胶表现出优异的机械性能，即使在纠缠状态下也可以弯曲、扭曲和拉伸到大应变。此外，该水凝胶还表现出优异的弹性，这体现在一个3毫米厚的水凝胶膜可以使落下的球反弹并恢复其原始高度的约50%的测试中。标尺长度为1厘米。
图3.微观结构和化学相互作用的表征和分析。扫描电子显微镜图像：(a) PAM 和 (b) PAM-Q2.0-M2.0 水凝胶。(c) 不同组成复合水凝胶的傅里叶变换红外光谱。(d) PAM-Q2.0-M2.0 水凝胶的 C 1s 和 (e) N 1s XPS 光谱。(f) PAM-Q2.0-M2.0 水凝胶的扫描电子显微镜元素分布图。比例尺 i-iii 分别为 (a, b) 中的 10、2 和 1 微米； (f) 中的 5 微米。
图4.PAM-Q-M水凝胶的电机械性能。(a) 水凝胶基体中基于MXene的导电网络的示意图。(b) PAM-Q2.0-M2.0水凝胶的相对电阻变化((R-Ro)/Ro)与连续施加的应变的关系。(c, d) 不同应变水平(100%-100%)下的循环拉伸测试实时相对电阻变化。(e) 不同压缩应变值下的实时相对电阻变化以及(f) 应变率条件下的实时相对电阻变化。(g) PAM-Q2.0-M2.0水凝胶在60%压缩应变下的100次加载-卸载循环的相对电阻变化，(h) 从0.11 kPa到13.60 kPa的相对较低的压缩应力以及像(i) 花生甚至(j) 一滴水这样的小物体。
图5.基于水凝胶的应变传感器在不同关节上的传感行为。(a) PAM-Q2.0-M2.0水凝胶作为用于人体关节或运动检测的柔性传感器的示意图。电阻相对变化对(b) 不同角度的手指弯曲、(c) 手腕和(d) 固定角度的肘部弯曲的响应。(e) 水凝胶传感器在加载和卸载手指弯曲行为时的响应时间。(f, g) 不同步态状态（步行和跑步）的不同信号，直接通过可重复和独特的电阻相对变化值来反映。(h) PAM-Q2.0-M2.0水凝胶在膝盖位置（图中插图）在站立、从蹲姿站立、从蹲姿跳跃、从蹲姿站立等动作下的电阻相对变化。(i) 篮球投篮行为的整个过程：准备姿势、接球、跳起和投篮，以及(j) PAM-Q2.0-M2.0水凝胶在志愿者三个肢体（肘部、手腕和膝盖）上的电阻相对变化响应。
图6.PAM-Q-M水凝胶的高级传感应用。(a) 喉部运动和语音感知的示意图。对不同发音过程的实时电阻变化响应：(b) 吞咽和(c) 咳嗽以及不同状态，以及(d-f) 用不同含义说英语的语音变化。(g) 签名感知的示意图。(h) 不同志愿者书写“A”的实时电阻变化响应。(i) 签名感知的示意图。在平板电脑上用PAM-Q-M水凝胶电容笔书写单词“hydrogel”和绘制银杏叶图案。
本文成功合成了一种新型的四重氢键交联聚合物，该聚合物表现出优异的机械韧性和可拉伸性。通过分子设计引入四重氢键单元，有效提高了聚合物的能量耗散能力。此外，纳米填料的加入可以进一步增强聚合物的力学性能。本文的研究成果为开发高性能的韧性和可拉伸材料提供了新的思路和方法。
本文的创新点可归纳如下：
1. 四重氢键动态交联结构的创新设计
· 动态能量耗散机制：西安交通大学首次在聚合物链中系统性引入四重氢键单元作为动态交联点。与传统共价交联或单一氢键相比，四重氢键具有更高的结合强度和动态可逆性，可在受力时通过可逆断裂与重组有效耗散能量，显著提升材料的机械韧性与可拉伸性。
2. 分子工程与性能优化的协同策略
· 分子层面的精准调控：通过分子设计将四重氢键单元定向嵌入聚合物链，在不牺牲材料延展性的前提下增强其强度。该设计突破了传统聚合物材料中“强韧-可拉伸”性能难以兼得的瓶颈。
3. 纳米复合体系的界面增强效应
· 纳米填料协同增效：通过将四重氢键聚合物与碳纳米管、石墨烯等纳米填料复合，进一步优化力学性能。研究发现，填料与聚合物基体间的界面通过氢键形成强相互作用，实现了应力均匀分布和裂纹扩展抑制，为复合材料界面设计提供了新思路。
4. 多功能应用潜力拓展
· 突破传统材料局限：所得材料兼具高韧性（抵抗裂纹扩展）、高拉伸性（断裂伸长率显著提升）及可修复潜力（动态氢键的自修复特性），适用于柔性电子、可穿戴设备、生物医用材料等新兴领域，填补了高性能动态交联聚合物体系的空白。
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.12.048
转自《石墨烯研究》公众号
