-40℃也能用的“離子皮膚” | 科技前線

從家居的舒適泡沫、服裝纖維，到汽車內飾、建筑保溫材料，聚氨酯以其優異的彈性、耐磨性和可塑性，成為工業領域非常重要的“材質基礎”。

但在-40℃的低溫條件下，傳統聚氨酯聚合物通常會變得脆硬易碎。日前，中國科學院蘭州化學物理研究所開發出的多功能形狀記憶“離子皮膚”，在極端環境中展現出較高的強度、韌性、可拉伸性和離子電導率。

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突破性能瓶頸

在傳統概念中，一種材料如果非常強韌，往往就很難具備良好的導電性、自修復能力或在極端溫度下的穩定性。

如何平衡聚氨酯的高力學性能與多功能性，是材料學家面臨的一個難題。對此，科研人員提出了一種巧妙的分子工程策略，試圖從根本上解決這一矛盾。

團隊通過引入一種特殊的含氟擴鏈劑和多個氫鍵單元，構建了一個獨特的動態網絡結構。

在這個網絡中，氟元素的高電負性發揮了關鍵作用。氟原子就像一個帶強負電的“磁鐵”：一方面能夠與材料中的封端劑形成穩定的離子鍵，顯著增強整個分子網絡的穩定性；另一方面，還能通過偶極相互作用“固定”住材料中的陽離子，同時在材料內部構建出高效的陰離子傳輸通道。

▲材料的分子設計以及極地環境中的應用示意圖

這種設計形成了一個協同作用的動態網絡：氫鍵提供了材料的韌性和自修復能力，而氟與陽離子的相互作用則保障了離子在材料中的高效遷移，使其具備了良好的導電性。

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低溫下的“離子皮膚”

基于這一巧妙的分子設計，團隊成功制備出了一種全新的形狀記憶聚氨酯材料。這種材料最顯著的特點之一是其在極端低溫環境下的出色表現。

在-40℃的測試條件下，這款新型聚氨酯仍然保持了較高的強度、韌性和可拉伸性。更令人驚訝的是，隨著溫度降低，材料的電阻反而增大，這一特性使其在低溫環境下的傳感應用中具有獨特優勢。

新型聚氨酯不僅可以作為低溫機器人的“人造皮膚”，賦予機器人類似的觸覺感知能力，使其在極端環境下執行任務時更加靈活精準，還在健康監測領域展現出了卓越性能。

該材料能精準監測手指、手腕、肘部等關節的細微彎曲動作，甚至可以區分深、淺不同的呼吸模式。這為未來可穿戴醫療設備的發展提供了新的可能性。

該材料的另一大優勢是其形狀記憶功能。這一特性不僅延長了材料的使用壽命，也拓展了其在柔性機器人、智能紡織品等領域的應用前景。

作者：張新瑞 陳天澤 徐靜

來源：中國科學院蘭州化學物理研究所

責任編輯：宋同舟