机械异质性原位构建解决聚合物网络超弹性与粘附性冲突的创新研究

本研究针对聚合物材料中超弹性与粘附性相互矛盾的难题，通过氧抑制机制原位构建具有机械异质性的聚合物网络（HEAs），实现了滞后率<5%和粘附能>300 J/m2的突破性平衡。该成果为可拉伸电子皮肤、软体机器人等应用提供了高性能材料解决方案，发表于《Nature Communications》。

　　

在柔性电子、软体机器人和可穿戴设备快速发展的今天，材料科学家们面临着一个长期存在的矛盾：如何让聚合物材料同时具备超弹性（hyperelasticity）和强粘附性（adhesiveness）。传统橡胶材料虽然拉伸性能优异却缺乏粘附力，而压敏胶带虽能牢固粘附但存在显著粘弹性滞后。这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境严重制约了电子皮肤、柔性显示等新兴技术的发展。

南方科技大学的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究，提出通过原位构建机械异质性聚合物网络（Hyperelastic Adhesives, HEAs）来解决这一矛盾。研究人员受生物系统启发，设计出具有粘弹性粘附表面和超弹性本体的双层结构，其中表面层模量（E₁）显著低于本体模量（E₂），满足E₁h₁?E₂h₂的关键条件。

研究采用丙烯酸丁酯（BA）和丙烯酸（AA）共聚体系，创新性地利用氧自由基抑制机制调控聚合过程。通过建立包含聚合动力学和氧淬灭反应的相图，团队发现从粘弹性网络向超弹性网络的转变遵循幂律准则H_c∝t^β。当粘附层厚度h₁=166μm时，材料表现出<5%的超低滞后率和>300 J/m²的高粘附能，突破了传统材料的性能极限。

关键技术方法包括：1）氧抑制介导的梯度聚合技术；2）荧光共聚焦显微镜表征氧扩散深度；3）建立粘附能-厚度非线性关系模型；4）开发离子型HEA用于应变传感。

Principles of HEAs
研究团队通过力学分析证明，当粘附层满足h₁?h₂或E₁?E₂时，复合材料的滞后率α_HEA可降至5%以下。理论计算显示粘附能与厚度呈非线性关系：Γ_HEA(h)=(W_f1-W_f2)h₁ln(h)+W_f2×h+c₀，其中断裂功W_f1=1.96×10⁵ J/m³。

Synthesizing HEAs by harnessing oxygen inhibition
利用氧分子对自由基的捕获效应（k_o≈5×10⁸ L mol^-1 s^-1），在聚合初期形成富含 dangling chains 的表面层。氧扩散方程d[O₂]/dt=D_od[O₂]/dz-k_o[In][O₂]显示，当固化时间t_c=10s量级时可形成梯度结构。

Polymerization phase diagram
实验测得临界厚度H_c与固化时间满足H_c∝t^0.78。在21%氧浓度下，最小允许厚度为179μm，此时600μm样品滞后率仅1.8%。

Adhesion energy-thickness relation of HEAs
90°剥离测试显示，HEAs粘附能从25 J/m²(200μm)增至150 J/m²(800μm)，远超均相网络的10 J/m²。引入10wt% AA使粘附能提升至443 J/m²，同时保持99%的蠕变恢复率。

Applications of HEAs
将含LiTFSI的离子型HEA制成应变传感器，在1000次循环中电阻变化<20%，应变系数达2.7。作为电子皮肤基底时，碳浆-HEA双层结构能精准监测手腕弯曲动作。

该研究不仅建立了机械异质性材料的设计准则，更开辟了通过环境因素（如氧浓度）调控材料性能的新范式。研究者指出，未来可通过引入生物相容性组分拓展其在医疗领域的应用，或利用其他自由基抑制剂开发更稳定的HEAs体系。这种兼具超弹性和强粘附的材料平台，有望推动柔性电子、软体机器人等技术向更高性能方向发展。