模擬神經(jīng)元的感應(yīng)模式將多種刺激（如應(yīng)力、溫度、濕度等）轉(zhuǎn)化為電信號輸出，是柔性傳感器、可穿戴電子器件、人機(jī)交互和智能監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件。智能化工是新一代化學(xué)工業(yè)革命的主要推動力，從傳統(tǒng)的數(shù)字化生產(chǎn)走向智能化制造已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的工業(yè)發(fā)展方向，它可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程中設(shè)備之間良好的信息交換，使各環(huán)節(jié)密切合作，保證產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，最大限度地減少產(chǎn)品的缺陷率。目前，基于數(shù)字化處理的在線檢測系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于智能化工生產(chǎn)。然而，它仍是一個被動的監(jiān)控系統(tǒng)致使信息傳輸滯后且需要巨大的財力、物力、人力投入，收效有限。因此，開發(fā)微型、多響應(yīng)、輕量化、低功耗的柔性敏化材料變得尤為迫切。
自愈合材料不僅能夠修復(fù)外界機(jī)械損傷且具有恢復(fù)功能（如導(dǎo)電性、形狀記憶和對各種刺激的響應(yīng)性等）的能力。該可修復(fù)過程大都?xì)w因于可逆的動態(tài)共價交聯(lián)和非共價鍵相互作用。通常來說，高自愈合性能和強(qiáng)機(jī)械性能是一對捕食者與被捕食者的矛盾體，提高自愈合性能必然要犧牲機(jī)械強(qiáng)度，一山容二虎絕非易事。
西南科技大學(xué)雷永林副教授近日開發(fā)了一種超靈敏、多響應(yīng)的敏化材料，它不僅具有室溫自愈合功能、高機(jī)械強(qiáng)度（拉伸強(qiáng)度11.37 ± 0.03 MPa），加入聚吡咯裝飾的碳納米管網(wǎng)絡(luò)后更是賦予該材料超高的靈敏度和多響應(yīng)性能。對外界物理信號變化（如應(yīng)變、水分和溫度）和各種化學(xué)環(huán)境的變化（如酸、堿、氧化劑和還原劑）都表現(xiàn)出優(yōu)異的靈敏性。由于網(wǎng)絡(luò)體系中存在動態(tài)二硫鍵和可逆氫鍵，斷裂或受損的敏化材料在室溫條件下能夠完全愈合并恢復(fù)原始的高機(jī)械強(qiáng)度和可靠的多響應(yīng)性能。
敏化材料的制備
作者首先通過簡單的縮聚反應(yīng)采用一鍋法制備了含動態(tài)二硫鍵和氫鍵網(wǎng)絡(luò)的線性聚氨酯聚合物。然后受神經(jīng)元的啟發(fā)，作者將聚吡咯裝飾到碳納米管上制備新穎的導(dǎo)電材料。最后，通過溶液共混法將聚氨酯與導(dǎo)電材料組裝起來，成膜干燥后得到聚氨酯基敏化材料。
敏化材料的物理信號響應(yīng)
可逆動態(tài)二硫鍵賦予了敏化材料極好的柔性，且體系中的氫鍵網(wǎng)絡(luò)也可作為物理交聯(lián)點，增強(qiáng)敏化塊的機(jī)械強(qiáng)度。30% PPY/CNTs聚氨酯基敏化材料的最大伸長率和拉伸強(qiáng)度值分別為520 ± 17.50%和5.76 ± 0.03 MPa。基于敏化材料優(yōu)異的性能，作者制備的敏化材料不僅能夠?qū)?yīng)變做出超靈敏的響應(yīng)還能監(jiān)測小型（手指彎曲）和大型（手腕彎曲）的身體運(yùn)動。
此外，考慮到材料的熱遷移率和體系的動態(tài)可逆性，該材料還有望用于溫度和水分變化的實時監(jiān)測領(lǐng)域。更驚訝的是該敏化材料能夠同時超靈敏的對溫度和應(yīng)力刺激做出響應(yīng)，這些特性使得該材料在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療等領(lǐng)域的智能化進(jìn)程中具有廣泛的應(yīng)用前景。
敏化材料的化學(xué)信號響應(yīng)
聚吡咯憑借其優(yōu)良的導(dǎo)電性、化學(xué)響應(yīng)性和可逆的化學(xué)性質(zhì)在導(dǎo)電高分子中獨(dú)樹一幟，將其裝飾碳納米管使敏化材料的功能“多姿多彩”。鑒于聚吡咯特殊的理化性質(zhì)，作者制備的敏化材料能夠?qū)瘜W(xué)溶液如酸、堿、氧化劑和還原劑等做出快速且準(zhǔn)確的響應(yīng)。該敏化材料的發(fā)現(xiàn)有望加快智能化工建設(shè)的步伐，化工企業(yè)從“汗水型”向“智能型”發(fā)展未來可期。
自愈合性能
室溫下剪斷接觸放置6 h后，長48.0 mm，厚2.5 mm的半啞鈴形樣品能舉起5公斤的重量且不撕裂或變形。處理6 h后，最大伸長率和抗拉強(qiáng)度值分別回復(fù)至原始值的99%和90%。這主要是由于動態(tài)二硫鍵和氫鍵解離，促進(jìn)了聚合物鏈的運(yùn)動。斷裂界面的聚合物相互擴(kuò)散，形成新的二硫鍵和氫鍵，進(jìn)而恢復(fù)機(jī)械性能。
該工作成果近期以“Neuron-InspiredSelf-Healing Composites via Dynamic Construction of Polypyrrole DecoratedCarbon Nanotubes for Smart Physiochemical Sensing” 為題，發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》雜志上,文章的第一作者是西南科技大學(xué)碩士研究生白玲，通訊作者為雷永林副教授。
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