王金清课题组：柔性应变（摩擦）传感领域取得系列研究进展

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柔性传感器是可穿戴电子设备的核心部件之一。随着5G时代的到来，柔性传感器越来越受到关注。但是，柔性传感器材料在实际应用过程中面临环境温度的制约。例如，当前所报道的弹性体基底材料因具有较低的动态特性使得所组装传感器的低温自愈合性能较差，因此亟需提升柔性应变传感器材料在低温应用环境中的快速自愈合能力。

图1. 低温下可自愈合的PPG-PDMS-Zn弹性体

　　近日，中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室王金清研究员课题组在实现室温快速自愈合聚氨酯弹性体的工作基础上（ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11, 7387-7396; Journal of Colloid and Interface Science,2020, 559, 152-161）, 采用二元协同交联策略（图1），首先将甲苯二异氰酸酯封端的聚丙二醇（PPG）引入到改性聚二甲基硅氧烷（PDMS）骨架中，获得了具有高动态特性的PPG-PDMS配体；随后，将双氢键和锌配位键引入到PPG-PDMS配体中，成功制备了具有高韧性和低温快速自愈合能力的PPG-PDMS-Zn超分子弹性体材料。
　　该材料在温度低至-20℃的环境中8小时后的自愈合效率高达98%（图2），这主要是由于PPG链段的引入可以显著降低聚合物的交联密度，促使分子链快速迁移到断裂界面进行自愈合，而锌配位键独特的动态交换特性和氢键的低温抑制解离效应可有效增强聚合物网络的低温自愈合能力。将该弹性体材料用于多功能涂层时其表现出优异的防结冰特性。相关工作近期在线发表于Chemical Engineering Journal（2020, 398, 125593）期刊上。论文第一作者是在读博士研究生吴献章，王金清研究员和李章朋所特聘青年研究员为共同通讯作者。

图2. PPG-PDMS-Zn弹性体在低温下的

　　另外，该课题组在三维石墨烯柔性传感材料设计制备及柔性应变（摩擦）传感器件组装方面也取得系列进展。研究人员将氧化石墨烯与导电聚合物、生物质葡甘露聚糖或碳纳米管等进行复合，制备了结构长程有序、高导电性和密度可调的三维石墨烯复合材料。利用该类材料所组装的柔性应变传感器的灵敏度得到显著提升，可实现对人类面部表情、脉搏跳动和关节运动等生理信号的实时、精准测量和监控。同时，受人类指尖触觉传感功能的启发，研究人员通过巧妙的传感阵列设计，组装得到的摩擦传感器可对物体表面的粗糙度、硬度等信息进行有效区分和识别（图3）。系列研究成果发表在Nanoscale(2019, 11, 1159-1168), ACS Applied Materials & Interfaces(2018, 10, 8180-8189; 2018, 10, 39009-39017), Journal of Materials Chemistry C(2018, 6, 8717-8725; 2019, 7, 7386-7394; 2019, 7, 9008-9017)和Journal of Physical Chemistry C(2019, 123, 3781-3789）等期刊上。

图3. 模拟人类指尖传感功能的摩擦传感器可实现对物体表面粗糙度的检测

　　相关研究工作得到了国家自然科学基金、兰州化物所和固体润滑国家重点实验室专项研究等项目的支持。


       文章来源：兰州化物所
      王金清：男，理学博士，研究员，博士研究生导师，中国科学院“百人计划学者”，2011年度甘肃省“杰出青年”基金获得者。中国化学会会员，中国机械工程学会会员，《摩擦学学报》编委，《功能材料》特聘编审专家。1999年毕业于西北师范大学化学系，2004年8月在中国科学院兰州化学物理研究所获得理学博士学位。2005年获日本学术振兴会（JSPS）基金支持，在日本国立九州大学大学院综合理工学研究院做外国人特别学术研究员。2008年度中科院“百人计划”入选者，主要从事新型润滑薄膜材料的表/界面行为研究以及先进复合润滑材料研制和应用开发等方面的科研工作。迄今，在国内外重要学术期刊上发表研究论文100多篇（其中SCI收录80多篇），申报国家发明专利多项，2项获得授权。另外，还受邀参与两部英文摩擦学专著章节撰写工作。作为主要完成人参与的项目“纳米润滑材料的研制及其摩擦学性能”获得2005年度甘肃省科学技术进步奖一等奖，与兰州大学合作申报的项目“牙科材料的仿生优化设计和制备”获2010年度甘肃省科学技术进步奖三等奖/2010年度兰州市科学技术进步奖一等奖。目前，承担国家自然科学基金面上项目、科技部国家重点实验室专向基金、甘肃省“杰出青年”基金以及中科院院地合作和企业委托合作等多项研究课题。