可反复愈合的触敏塑料“皮肤”问世

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美国斯坦福大学的一个科研团队研制出首个具有敏锐触感且在室温下能迅速、反复愈合的人工合成材料。此进展或将导致更智能假肢或更有弹性的可自我修复个人电子产品的出现。该研究成果发表在11月11日《自然—纳米技术》杂志上。

研究人员一直在竭力模仿人类皮肤的卓越性能，如皮肤的触感（发送给大脑的关于压力和温度的精确信息）以及高效的自愈能力。斯坦福大学化学工程系鲍哲南教授及其团队成功地将上述两项性能集成在单个合成材料中。

在过去的10年中，人造皮肤研究取得了重大进展，但即使是最有效的自我修复材料仍具有重大缺陷。有些因必须暴露在高温条件下而无法实用，有些虽在室温下可以愈合，但修复创口会改变其机械或化学结构，所以其只能使用一次。最重要的是，还没有出现一种自愈合材料具有良好的电导性。

鲍哲南团队经由两种成分的混合成功地达到了两全其美的效果——塑料聚合物的自我修复能力和金属的导电性。他们使用的塑料包含有氢键连接的长链分子，这些分子很容易打散，当其重新连接时，氢键就能自我重组和恢复材料的结构。

研究人员在这种弹性聚合物中添加了微小的金属镍颗粒以增加其机械强度。镍颗粒的纳米级表面是粗糙的，这对材料形成导电性至关重要。其每个突出的边缘都聚集了一个电场，使电流更容易从一个粒子到达下一个粒子，从而使塑料聚合物具备电导性。

研究人员对该材料在受损后机械强度和导电性的恢复能力进行了检测。他们取用薄带状材料并将之切成两半。将其放在一起轻轻按压几秒钟后，材料可恢复其原始机械强度和导电率的75%；如果按压30分钟，材料性能的恢复接近100%。更重要的是，同一样品可在同一个地方反复切削，经过50次切削和修复，样品的柔韧性和伸展度仍完好如初。

该团队还探讨了该材料的压敏特性。电子在材料中形成电流的过程，类似于在石头间跳跃越过小溪。镍颗粒就扮演了石头的角色，它们间的距离决定了一个电子需要多少能量从一块石头跳跃到另一块。合成皮肤上的扭曲或按压会改变镍颗粒间的距离，也就改变了电子跳跃的难易程度。这些细微的电阻变化可被转换成皮肤受到压力和张力的信息。研究人员表示，该材料可探测到握手产生的压力变化。

鲍哲南表示，该材料对下压和屈曲都非常敏感，因此未来的假肢在关节处将有更好的弯曲度。覆有该种材料的电气设备和电线也可自我修复，使电力维护变得不再困难和昂贵，尤其是在难以到达的地方，如建筑物墙壁或是车辆内。研究团队的下一个目标是使材料更透明和更具弹性，以适于电子设备或显示屏的包装和覆盖。

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An electrically and mechanically self-healing composite with pressure- and flexion-sensitive properties for electronic skin applications

    Nature Nanotechnology
    (2012)
    doi:10.1038/nnano.2012.192

Pressure sensitivity and mechanical self-healing are two vital functions of the human skin. A flexible and electrically conducting material that can sense mechanical forces and yet be able to self-heal repeatably can be of use in emerging fields such as soft robotics and biomimetic prostheses, but combining all these properties together remains a challenging task. Here, we describe a composite material composed of a supramolecular organic polymer with embedded nickel nanostructured microparticles, which shows mechanical and electrical self-healing properties at ambient conditions. We also show that our material is pressure- and flexion-sensitive, and therefore suitable for electronic skin applications. The electrical conductivity can be tuned by varying the amount of nickel particles and can reach values as high as 40 S cm−1. On rupture, the initial conductivity is repeatably restored with ~90% efficiency after 15 s healing time, and the mechanical properties are completely restored after ~10 min. The composite resistance varies inversely with applied flexion and tactile forces. These results demonstrate that natural skin's repeatable self-healing capability can be mimicked in conductive and piezoresistive materials, thus potentially expanding the scope of applications of current electronic skin systems.

http://www.nature.com/nnano/jour ... nnano.2012.192.html