聚脲有机凝胶中的三叉链结构体系：用于实现超拉伸多功能电子皮肤的开发

《Journal of Colloid and Interface Science》：Trident-chain architectonics in polyurea organogels for ultra-stretchable multifunctional E-skins

基于聚脲器官凝胶的多功能柔性电子皮肤材料研究，通过调控聚醚胺官能团数实现动态交联与机械性能优化，开发出耐极端环境、自愈且支持莫尔斯电码加密的电子皮肤新平台。

　　本研究聚焦于一种新型的聚氨酯有机凝胶材料的开发，该材料具有卓越的机械性能和环境适应性，适用于下一代柔性电子皮肤（e-skin）领域。传统水凝胶虽然在生物相容性和离子导电性方面表现出色，但其在低温环境下的冻结、高温下的脱水以及对环境变化的敏感性，限制了其在实际应用中的可靠性。相比之下，有机凝胶通过使用有机溶剂作为分散介质，展现出更强的环境稳定性和机械性能，因此成为当前柔性电子材料研究的热点方向。

研究人员通过聚合异氰酸酯和聚醚胺，成功合成了具有三链分子结构的聚氨酯有机凝胶（PUA-D?T?）。通过调整聚醚胺分子上的官能团数量，实现了对交联密度和机械性能的动态调控。实验结果表明，优化后的PUA-D?T?样品表现出高达178.33千帕的拉伸强度和超过1838%的断裂伸长率，相较于传统水凝胶分别提升了2.3倍和4.1倍。这一性能的突破，使得该有机凝胶在机械性能方面显著优于许多现有的有机凝胶材料。

除了优异的机械性能外，该有机凝胶还具备多种功能特性。它能够牢固地粘附在多种基材上，表现出良好的附着力。同时，它在恶劣环境下仍能保持良好的柔韧性和弹性，确保了其在复杂使用场景中的稳定性。此外，该材料具有出色的溶剂回收能力，能够重复使用，减少资源浪费。其独特的动态氢键网络赋予了材料自愈能力，使其在受到损伤后能够迅速恢复原有性能，从而延长了材料的使用寿命。

为了进一步提升其在柔性电子应用中的性能，研究人员在凝胶表面涂覆了一层石墨烯导电层，构建了一种灵活的传感器。该传感器能够精确地监测多尺度的人体运动，包括手指弯曲、手腕旋转等动作。更值得注意的是，它还能够通过可编程的电阻变化，实现加密信息的传输。这种功能的实现依赖于国际摩尔斯电码的编码方式，使得传感器不仅具备感知能力，还具备信息处理和传输的潜力。

该研究的创新点在于，它提出了一种“拓扑引导的动态键协同”设计理念，将高性能聚氨酯有机凝胶基体与外部石墨烯导电层相结合。这种复合策略有效克服了传统填充体系在机械和电性能之间的耦合限制，实现了两者的独立优化。通过分子工程手段，研究人员成功构建了具有三链结构的分子体系，从而提升了材料的机械性能。同时，动态氢键网络的引入，使得材料在受到外力作用后能够迅速恢复其结构和性能，表现出出色的自愈能力。

此外，该有机凝胶还展现出优异的温度适应性，能够在极端温度条件下保持稳定。这一特性对于柔性电子设备在不同环境下的应用具有重要意义。例如，在医疗监测领域，设备需要在不同温度条件下持续工作，而传统的水凝胶材料在高温下容易发生脱水，导致结构崩溃和性能下降。相比之下，该有机凝胶能够保持良好的结构完整性，确保监测数据的准确性。

在人机交互和软体机器人等应用中，柔性电子材料需要具备良好的柔韧性和可拉伸性，以便适应复杂的运动和变形。该有机凝胶的高断裂伸长率和优异的机械性能，使其能够承受较大的形变而不发生断裂，从而满足这些应用的需求。同时，其良好的附着力和环境适应性，也使其能够牢固地附着在各种表面，提高设备的可靠性和稳定性。

该材料的多功能性不仅体现在其机械性能和环境适应性上，还包括其在信息传输方面的潜力。通过在凝胶表面涂覆石墨烯导电层，研究人员成功构建了一个能够进行加密信息传输的传感器系统。这一功能的实现，使得该材料在安全通信、生物识别等领域展现出广阔的应用前景。例如，在医疗设备中，可以利用这一特性进行加密数据传输，确保患者隐私的安全。

在实际应用中，该有机凝胶材料还具备良好的可回收性，能够通过多次再加工保持其性能。这不仅有助于降低生产成本，还符合可持续发展的理念。在当前全球对环保和资源循环利用日益重视的背景下，这一特性显得尤为重要。通过优化材料的制备工艺，研究人员能够确保其在多次使用后仍能保持较高的性能水平，从而提高材料的经济性和环保性。

该研究还指出，尽管有机凝胶在某些方面优于水凝胶，但仍存在一些挑战。例如，离子泄漏可能导致信号漂移，影响传感器的准确性。此外，在循环使用过程中，材料可能会发生疲劳断裂，影响其长期稳定性。同时，某些纳米填料在极端温度下可能发生氧化，导致功能性能的不可逆下降。这些问题需要在未来的研究中进一步解决，以确保材料在实际应用中的可靠性。

为了解决这些问题，研究人员提出了一种新的策略，即通过引入外部导电组件来增强材料的性能。这种方法不仅能够提升材料的导电性，还能够实现对机械性能和电性能的独立优化。通过将石墨烯导电层与有机凝胶基体结合，研究人员成功构建了一个具有多功能特性的柔性电子平台。这种设计思路为未来柔性电子材料的开发提供了新的方向，也为解决传统材料的局限性提供了可行的解决方案。

该研究的成果不仅为柔性电子皮肤材料的开发提供了新的思路，还为其他柔性电子设备的应用奠定了基础。通过将有机凝胶的环境适应性和石墨烯的导电性相结合，研究人员创造了一种具有广泛适用性的新型材料。这种材料不仅能够满足医疗监测、人机交互等领域的高要求，还能够推动柔性电子技术在更多场景中的应用。

在材料科学领域，该研究的创新性在于其对分子结构的精确调控和对动态键网络的巧妙设计。通过调整聚醚胺的官能团数量，研究人员能够动态控制材料的交联密度和机械性能，从而实现性能的优化。这一策略不仅提高了材料的机械性能，还增强了其环境适应性和自愈能力，为未来柔性电子材料的设计提供了新的范式。

综上所述，该研究开发了一种具有卓越机械性能和多功能特性的聚氨酯有机凝胶材料，为下一代柔性电子皮肤的实现提供了重要的技术支持。其在环境适应性、机械性能、导电性以及自愈能力方面的突破，不仅拓宽了柔性电子材料的应用范围，也为相关领域的技术进步做出了贡献。未来，随着材料科学的不断发展，这种新型有机凝胶材料有望在更多领域得到应用，推动柔性电子技术的进一步发展。