南京大学李承辉/东京大学Takao Someya/东南大学陆卫兵 Nat. Commun.:用于柔性无线通信系统的高电学稳定性、可拉伸自修复复合材料

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为此，南京大学李承辉教授团队联合东京大学Takao Someya教授团队以及东南大学陆卫兵教授团队设计了一种基于多杂原子高分子粘合剂的自修复导电复合材料，其薄层电阻低至10.8 mΩ/sq。该自修复导电复合材料不仅具备可拉伸性，而且可以在1000次的反复循环拉伸中表现出高电学稳定性。在此基础上，该研究团队制备了一种具有卓越电磁性能（实测增益达5.25 dBi，与铜基器件几乎相当）、优异自修复能力及可回收特性的柔性天线，用于支持超过70米即时通信的无线电子皮肤。这一策略克服了纳米复合导体中高导电性与优异机械性能之间的折衷问题，为面向无线电子皮肤的全自修复柔性天线的发展开辟了新路径。

2026年5月12日，相关成果以“Strain Resilient and Self-healing Nanocomposite Conductors with Ultralow Sheet Resistance”为题，发表在《Nature Communications》。南京大学侯可心、东京大学余步云为论文共同第一作者，南京大学李承辉教授、东京大学Takao Someya 教授、Tomoyuki Yokota教授、东南大学陆卫兵教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。

该工作创新性地将含有多杂原子的刷状聚合物作为导电复合材料中的粘结剂，策略性地选择具有适中长径比的银纳米片作为导电填料。得益于聚合物粘结剂和导电填料之间的配位相互作用以及银纳米片在热压条件下向表面迁移的特性，该导电复合材料表面形成了多层堆叠、有序互联的导电通路，为其超低的薄层电阻奠定了坚实的基础。（图1）

图1. 应变稳定性导电复合材料的制备。

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。它能与银片产生强相互作用，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2Ω。

图2. 导电纳米复合材料的结构设计以及表征。

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。在本工作中，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。

图3. 导电纳米复合材料pPEAOI-Ag-70的电学稳定性以及自修复性能表征。

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。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。

图4.导电复合材料的电学稳定性以及自修复性能机理剖析以及综合性能的提升优化。

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，由此导电复合材料和本团队之前报道的柔性基底材料进行复合可以制备本征可拉伸天线。该柔性天线设备支持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。

图5.整体可拉伸、自修复柔性天线设备的性能表征以及应用展示。

总结：本研究创新性地将多杂原子聚合物材料作为导电复合材料中的粘结剂，与热压这一后处理工艺相结合，促进了银纳米片向材料表面的定向迁移，实现了力学性能与电学性能的解耦。由于聚合物粘合剂的约束，互连导电通路在拉伸条件下避免了滑移和断裂，从而在近200%应变范围内实现了高度应变不敏感的电学性能。利用这种应变稳定性导电复合材料制备了本征型自修复天线，该天线在弯曲、拉伸甚至切断后仍能保持优异的性能。得益于这一新型天线，无线电子皮肤系统即使在重复机械形变或损伤下也能支持稳定的通信性能，展现出增强的传输稳定性和更长的使用寿命。这种兼具优异电学性能与自修复能力的可拉伸导电复合材料制备策略为本征自修复的无线可穿戴电子器件提供了可行的技术路径。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-026-71851-9

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