介孔材料中的吸附转变与毛细凝结现象：精确表面表征的实验与理论研究视角

《Journal of Colloid and Interface Science》：Adsorption transition and capillary condensation in mesoporous materials: experimental and theoretical perspectives for accurate surface characterization

柔性传感器通过Janus结构梯度设计提升性能，采用聚脲（PU）与单宁酸（TA）修饰的水化石墨黑（HCB）复合薄膜，利用重力自组装形成异质双面结构，实现高机械强度（35.37 MPa）、超高延展性（1854.65%）及水下传感能力，并具备动态氢键自愈和可回收特性。

　　这项研究致力于开发一种新型的柔性传感器，旨在解决传统柔性传感器在机械耐久性和功能多样性方面的局限性。通过模仿人类皮肤的不对称结构，研究团队设计了一种具有双面结构的复合薄膜，其由聚氨酯（PU）和经过单宁酸（TA）修饰的羟基化碳黑（HCB）组成。这种结构不仅提升了材料的机械性能，还赋予其独特的传感功能，使其能够在复杂环境中稳定运行，例如水下环境。

传统柔性传感器多采用柔软且易碎的材料，这限制了它们在实际应用中的负载能力和使用寿命。此外，将多种传感功能集成到单一设备中面临诸多挑战，包括不同传感机制之间的信号干扰、敏感性与机械强度之间的权衡，以及通过可扩展制造方法实现长期耐用性的困难。因此，开发一种能够同时具备机械强度、环境适应性和多种传感能力的多功能传感器，成为当前研究的重点方向之一。

聚氨酯因其高光学透明度、化学稳定性和优异的耐磨性，常被用作柔性传感器的基材。同时，PU具有形成动态自修复分子网络的能力，从而提高了材料的耐用性和可持续性。然而，仅由纯PU制成的传感器通常表现出有限的机械性能，其应力耐受能力一般不超过5 MPa。为了提升PU基柔性传感器的性能，研究者们普遍采用两种策略：一是优化结构设计，二是引入功能性填料。其中，Janus结构因其在实现方向性响应方面的潜力而受到关注。Janus结构通常指材料在两个面上具有不同的物理或化学特性，这种特性使得传感器能够对不同的外部刺激做出差异化的反应。

尽管Janus结构提供了诸多优势，但目前大多数相关系统依赖于高成本的二维填料，并且在机械韧性、可回收性和水下操作稳定性方面仍存在不足。因此，如何开发一种基于PU的柔性传感器，结合重力驱动的Janus梯度结构，同时具备优异的机械性能、自修复能力和可回收性，成为亟待解决的问题。

碳黑作为一种成本低廉、导电性良好且重量轻的纳米填料，被认为是增强PU性能的理想选择。然而，其固有的聚集倾向会影响其在基材中的分散性，从而降低其对材料性能的提升效果。为改善这一问题，研究团队采用表面羟基化的方法，以提高碳黑的分散性。此外，PU分子中的一些官能团，如氨基、羧基和亚甲基，能够与碳黑表面的羟基形成氢键，从而增强其界面强度。然而，即使经过羟基化处理，碳黑表面的羟基数量仍然有限，导致其在PU基体中的相互作用不够稳定。

为了解决上述问题，研究团队引入了单宁酸作为分子桥接剂。单宁酸是一种富含羟基的天然多酚化合物，能够通过在其表面进行接枝，引入大量酚羟基。这些酚羟基能够与PU链中的官能团形成稳定的氢键网络，从而显著增强碳黑与PU基体之间的界面相容性。这种改进不仅提高了材料的机械性能，还增强了其自修复能力和可回收性。通过这种设计，PU-TA@HCB复合材料表现出出色的拉伸性能，包括断裂伸长率达到1854.65%，拉伸强度为35.37 MPa，以及韧性达到293.52 MJ/m3，这些性能指标均优于以往报道的PU基传感器。

研究团队通过重力驱动的自组装过程，将TA修饰的HCB引入PU乳液中，并在模具内进行自组装。在这一过程中，重力促使TA@HCB在薄膜厚度方向上形成浓度梯度，最终形成具有双面结构的Janus薄膜。这种结构不仅增强了材料的机械性能，还赋予其独特的传感特性。例如，不对称的导电结构使得传感器能够可靠地区分拉伸和弯曲的运动信号，同时在水下环境中仍能保持良好的传感稳定性。这种多功能性和环境适应性使得该传感器在运动检测、手写识别和摩斯电码通信等应用中展现出广泛的可能性。

除了机械性能的提升，该材料还表现出优异的自修复能力。由于其内部存在动态的氢键网络，当材料受到损伤时，氢键可以重新形成，从而实现材料的自我修复。这种特性不仅延长了传感器的使用寿命，还降低了维护成本，为可持续的柔性电子器件提供了新的思路。此外，材料的可回收性也得到了验证，这使得其在环保和资源再利用方面具有显著优势。

在实际应用中，这种新型柔性传感器展现出了多种优势。首先，其卓越的机械性能使其能够在复杂环境下承受较大的机械应力，适用于需要高强度和高柔韧性的应用场景。其次，其自修复和可回收特性确保了材料的长期稳定性和可持续性，减少了对环境的影响。此外，传感器的不对称结构使其能够准确识别和区分不同的运动模式，这在人机交互和智能穿戴设备中具有重要价值。特别是在水下环境中，传感器的稳定性和可靠性为海洋监测、水下机器人控制等应用提供了新的可能性。

该研究不仅在材料科学领域取得了重要进展，也为柔性电子器件的设计和开发提供了新的思路。通过结合重力驱动的自组装工艺和TA修饰的HCB填料，研究团队成功构建了一种具有多功能性和环境适应性的柔性传感器。这种设计策略为下一代可穿戴电子设备和人机交互技术的发展提供了宝贵的参考。未来，随着材料科学和微电子技术的不断进步，此类传感器有望在更多领域得到应用，如医疗健康监测、智能服装、柔性电子皮肤等。

为了验证材料的性能，研究团队进行了多项表征实验。这些实验包括对材料的机械性能、导电性、自修复能力和水下传感性能的测试。结果表明，PU-TA@HCB复合材料在机械性能方面表现突出，其断裂伸长率和拉伸强度均显著高于未改性的PU材料。此外，材料的自修复能力在室温下即可实现，表明其在实际应用中具有较高的可行性。在水下环境中，传感器的传感性能依然稳定，这为其在水下应用场景中的推广提供了重要依据。

该研究的创新点在于，通过引入TA修饰的HCB填料，并结合重力驱动的自组装工艺，成功构建了一种具有优异机械性能和多功能性的柔性传感器。这种设计不仅提升了材料的性能，还拓展了其应用范围。未来的研究可以进一步探索如何优化材料的组成和结构，以实现更广泛的性能提升和更复杂的功能集成。同时，研究团队还可以考虑开发更低成本的制造方法，以推动该技术的商业化应用。

总之，这项研究通过模仿人类皮肤的不对称结构，设计并制备了一种新型的PU-TA@HCB复合材料，为柔性传感器的发展提供了新的方向。该材料不仅具有优异的机械性能和自修复能力，还能够在水下环境中稳定运行，展现出广阔的应用前景。未来，随着相关技术的不断成熟，这种新型柔性传感器有望在更多领域得到应用，为可穿戴电子设备和人机交互技术的发展做出重要贡献。