南京大学李承辉/东京大学Takao Someya/东南大学陆卫兵教授团队Nat. Commun.:具有超低薄层电阻的应变不敏感自修复导电复合材料

选择合适的填料与聚合物是构建导电复合材料的关键。导电填料的长径比直接影响渗流阈值与迁移速率：较大的长径比有利于形成连续的导电网络，从而降低渗流阈值，但过高的长径比会抑制无机颗粒的迁移速率，因此具有适中长径比的金属纳米片是构建该类复合材料的最佳选择。与此同时，聚合物粘结剂的选择同样至关重要。理想的聚合物不仅需要与填料产生强相互作用以维持高应变下的电稳定性，还应具备良好的柔韧性和加工性。刷状聚合物具有丰富的支链能够为金属填料提供充足的结合位点，而内在的柔软性则有助于促进导电填料向材料表面的定向迁移。因此，通过将长径比适中的银纳米片作为导电填料，并在刷状聚合物中引入富含孤对电子的侧链与银片产生强相互作用在导电纳米复合材料表面形成多层堆叠、有序互联的导电通路是制备高电学稳定性自修复导电复合材料的有效策略。

为了增强聚合物粘合剂与银片之间的结合力，研究团队在刷状聚合物中引入了富含孤对电子的聚醚胺侧链。它能与银片产生强配位作用，从而提高导电复合材料的机械稳定性和电学稳定性。如图2所示，该纳米导电复合材料表面平整，且其内部的银纳米片可以在反复热压后向材料表面迁移，形成上下密集连续且有序的导电通路。随着银纳米导电填料比例上升，导电复合材料的玻璃化转变温度略有提升，断裂伸长率明显下降，但其导电性能实现了稳定提升。当银纳米片的掺杂量达到70%时，导电纳米复合材料的表面阻抗低至2 Ω。

可拉伸导体的电稳定性对于柔性电子设备的长期稳定运行至关重要。然而，导电复合材料在拉伸时通常会发生导电填料滑移或产生微裂纹，导致电阻急剧上升。本工作中导电纳米复合材料pPEAOI-Ag-70表现出应变不敏感的导电性能。如图3所示，在拉伸至100%的应变条件下，其表面电阻仅增大为初始电阻的1.10倍。此外，该导电复合材料可以在拉伸、扭曲、穿刺等变形及外界力学刺激下保持稳定的电学性能，且在多次反复循环拉伸条件下表现出极小的电阻变化幅度和远优于同类材料的低电滞后性能，适合长期可穿戴应用。得益于聚合物粘结剂中多杂原子结构提供的氢键相互作用，该导电复合材料可以实现电学性质的瞬时修复以及机械性质的自修复。

为了进一步揭示该导电纳米复合材料超稳定电学性能的机理，研究团队将杂原子含量较低的类似刷状聚合物（命名为pDMSOI），以验证醚链的必要性。随后，采用与制备pPEAOI-Ag-70相同的方法，将银片掺杂到pDMSOI中，得到对照样品pDMSOI-Ag-70。如图4所示，尽管pDMSOI-Ag-70在断裂前也表现出高度稳定的电学性能，但其可拉伸应变仅为20%。这主要是因为粘性行为的聚合物无法有效支撑填料，导致可拉伸性急剧下降，但该复合材料表现出更为优异的自修复性能。因此，该研究团队通过将聚合物粘结剂混合制备，进一步实现了粘弹性平衡与性能提升。由此方法制备的导电复合材料具备超过700%的可拉伸能力以及1000次反复循环拉伸条件下超稳定的电学性能，并且其自修复温度得到了进一步降低。

作为无线通信的核心部件，微波器件广泛应用于电子皮肤中，在无线通信和能量传输方面发挥着重要作用。然而，由于电磁波的传播特性，微波器件的性能对导体的导电性和稳定性极为敏感，轻微的结构损伤都可能干扰无线功能。由于对导电性和稳定性的严格要求，目前尚未有成功报道能够同时兼具优异电磁性能和完全自修复能力的微波器件。该导电纳米复合材料的物理特性使得实现具有优异电磁性能的本征自修复微波器件成为可能，从而显著推动无线电子皮肤的发展。如图5所示，利用此导电复合材料和本团队之前报道的自修复基底材料进行复合可以实现完全可拉伸的天线，支持2.4 GHz蓝牙无线通信，并且可以在拉伸以及多次切割修复后仍旧保持良好的无线通信能力。基于此天线构建的无线电子皮肤，其即时通讯距离可超过65米。

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