应力集中效应提升力致变色电子皮肤灵敏度

在聚合物体系中引入应力响应性组分能够使得聚合物在机械应力刺激下实现分子构象、聚合物颜色/发光、催化等性质的转变，从而实现体系释放小分子或实现自愈合性能。其中，借助力致变色聚合物在机械应力作用下呈现显著的梯度颜色变化，我们可以直观的探究材料体系中应力分布状态以及聚合物基体内部机械化学活性，在应力传感器、材料损伤监测、软体机器人等领域具有重要的应用。但是，目前模拟生物组织实现合成材料体系多重刺激响应性及多功能性的集成研究仍是一项挑战性工作。

近日，韩国蔚山国立科学技术研究所（UNIST）Hyunhyub Ko、Chunggi Baig以及美国杜克大学Stephen L. Craig等研究者运用人们早已熟知的材料体系中的应力集中（stress concentration）效应，通过将纳米颗粒引入具有多孔结构的力致变色材料体系的微孔中（nanoparticle-in-micropore, NP-MP），成功构筑了具有多级NP-MP结构性能显著提升的新型柔性力致变色电子皮肤。该新型力致变色电子皮肤力致变色临界拉伸应力降低至50%，正向力感知度为1 N；同时，在250%的循环高拉伸率应用情况下仍能够优异的性能稳定性。

NP-MP力致变色材料体系结构及力学性能。图片来源：Adv. Mater.

研究人员以聚二甲硅氧烷（PDMS）和螺吡喃（SP）组分为力致变色聚合物基体、以纳米二氧化硅（SNP）为掺杂纳米颗粒，通过氢化硅烷化固化过程中亲水性共溶剂体系（水+乙醇）的挥发，简便构筑孔表面负载纳米颗粒的聚合物多孔结构。

NP-MP体系力致变色性能及可拉伸性能测试。图片来源：Adv. Mater.

基于SP分子在应力作用下的开环-闭环异构化实现材料体系力致变色，孔结构表面负载纳米颗粒处的应力集中效应显著提升了材料体系的力致变色敏感度和颜色变化幅度。同时，该新型力致变色NP-MP体系具有优异的可拉伸性能，100余次的250%循环拉伸应变测试后性能保持稳定；NP-MP体系相较于单纯的纳米多孔聚合物材料其断裂应变也从240%提升至约400%。

孔径、SNP尺寸等对NP-MP体系力致变色性能的影响考察。图片来源：Adv. Mater.

研究人员进一步对NP-MP体系中，材料多孔结构孔径、SNP尺寸以及SNP亲疏水性对不同应变条件下材料体系力致变色能力的影响进行了系统考察。研究表明小孔径（5 µm）、大尺寸SNP（300 nm）、亲水性SNP能够赋予NP-MP材料体系优异的拉伸应力变色敏感度及变色强度；同时，该高级多孔PDMS/SP/SNP材料体系在6 N 正向应力刺激下呈现鲜明的颜色变化，最小正向应力感知阈值为1 N。

NP-MP体系正向应力刺激变色能力测试。图片来源：Adv. Mater.

将该力致变色NP-MP体系应用于智能电子皮肤，该电子皮肤器件能够通过显色实时直视觉观察人体手指弯曲、抓取物体、轻敲等运动过程中的应力分布；将其集成于摩擦发电器件中则能够实现摩擦电流大小的实时监测。同时，该摩擦传感器件在捕捉声波等应用方面也展现优异的性能。

NP-MP体系应用展示。图片来源：Adv. Mater.

总结

本文基于简便的应力集中效应的应用实现了力致变色材料体系性能的显著提升。同时，柔性橡胶弹性体组分的引入赋予器件优异的可拉伸性能，保证了其拉伸循环性能稳定性、拓展了其应用范围。该研究成果在材料（宏观/三维）多级结构设计方面的思路，为其他多功能性材料体系的开发利用提供了借鉴。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A Hierarchical Nanoparticle-in-Micropore Architecture for Enhanced Mechanosensitivity and Stretchability in Mechanochromic Electronic Skins

Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201808148