击打这种有弹性的电子材料会使其变得更加困难

事故每天都会发生，如果您的智能手表掉落，或者受到严重撞击，该设备可能就无法再工作了。但现在，研究人员报告了一种具有“适应性耐久性”的柔软、灵活的材料，这意味着它在受到撞击或拉伸时会变得更坚固。该材料还导电，使其成为下一代可穿戴设备或个性化医疗传感器的理想选择。

研究人员将于今天在美国化学会(ACS)春季会议上展示他们的研究结果。

新材料的灵感来自烹饪中常用的混合物——玉米淀粉浆。

“当我慢慢搅拌玉米淀粉和水时，勺子很容易移动，”材料科学家兼该项目的首席研究员Yue(Jessica)Wang解释道。“但是如果我把勺子拿出来然后刺入混合物，勺子就不会再缩回去。这就像刺伤坚硬的表面一样。”这种浆料有助于使炖菜和酱汁变稠，具有适应性耐久性，根据施加的力从可塑性转变为坚固性。王的团队开始在固体导电材料中模仿这种特性。

许多导电材料，例如金属，都是硬的、硬的或脆的。但研究人员已经开发出使用共轭聚合物(具有导电性的长面条状分子)制造柔软且可弯曲的版本的方法。然而，大多数柔性聚合物如果受到重复、快速或大的冲击就会破裂。因此，王的团队在加州大学默塞德分校开始选择正确的共轭聚合物组合，以创造一种耐用的材料，模仿玉米淀粉颗粒在水中的适应性行为。

最初，研究人员制备了四种聚合物的水溶液：长的、意大利面条状的聚(2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸)、较短的聚苯胺分子和被称为聚(3,4-乙撑二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐的高导电组合。佩多：PSS)。在铺上一层薄薄的混合物并干燥形成薄膜后，研究小组测试了这种弹性材料的机械性能。

他们发现，它并没有在非常快速的撞击下破裂，而是变形或伸展。冲击速度越快，薄膜的弹性和韧性就越大。令人惊讶的是，仅添加10%的PEDOT:PSS就改善了材料的导电性和适应性耐久性。Wang指出，这个结果是出乎意料的，因为PEDOT和PSS本身并不会因快速或高影响而变得更强硬。

王实验室的博士后研究员DiWu解释道，这四种聚合物，两种带正电荷，两种带负电荷，像一大碗意大利面条和肉丸一样纠缠在一起。

“因为带正电的分子不喜欢水，所以它们聚集成肉丸状的微观结构，”吴说。该团队的假设是，适应性行为来自于肉丸吸收冲击能量并在受到撞击时变平，但没有完全分裂。

然而，吴想看看如何添加小分子来制造一种在快速拉伸或下降时更坚韧的复合材料。由于所有聚合物都带有电荷，因此研究小组选择带正电、负电或中性电荷的分子进行测试。然后他们评估了添加剂如何改变聚合物的相互作用并影响每种材料的适应性耐久性。

初步结果表明，由1,3-丙二胺制成的带正电的纳米粒子是最好的添加剂，具有最强的适应性功能。吴说，这种添加剂削弱了形成“肉丸”的聚合物之间的相互作用，使它们在受到撞击时更容易被推开和变形，并增强了紧密缠绕的“意大利面条线”。

“在我们的材料中添加带正电的分子使其在更高的拉伸率下变得更加坚固，”吴说。

王说，未来该团队将转向展示其轻质导电材料的适用性。这些可能性包括软可穿戴设备，例如智能手表的集成带和背面传感器，以及用于健康监测的柔性电子设备，例如心血管传感器或连续血糖监测仪。

此外，该团队还配制了用于3D打印的自适应材料的早期版本，并制作了团队成员手部的复制品，展示了融入个性化电子假肢的潜力。Wang认为新的复合材料版本还应该与3D打印兼容，以制作任何想要的形状。

Wang解释说，这种材料的适应性耐久性意味着未来的生物传感器设备可以足够灵活，适合人类的常规运动，但在意外碰撞或重击时也能抵抗损坏。“有许多潜在的应用，我们很高兴看到这种新的、非常规的特性将带我们去往何处。”