江南大学陈坤林团队受壁虎启发的石榴状石墨烯仿生自修复柔性薄膜

成果简介

为了延长电磁干扰（EMI）屏蔽膜的使用寿命，迫切需要一种自愈策略。本文，江南大学陈坤林副教授团队在《J. Mater. Chem. A》期刊发表名为“Bio-inspired self-healing flexible films with pomegranate-shaped nanosphere loaded graphene for electromagnetic interference shielding and superhydrophobicity performances”的论文，研究利用仿生石榴形磁性纳米球负载石墨烯片（PMNs-FG）和芘接枝多支链聚氨酯（MPU）制备了具有EMI屏蔽和自清洁性能的多刺激自修复柔性膜。由于PMNs-FG的独特结构，所制造的PMNs-FG/MPU复合膜表现出优异的EMI屏蔽效果和自清洁能力。

有趣的是，受壁虎脚的启发，MPU的芘基可以通过π-π相互作用粘附在石墨烯表面，这使得受损的薄膜能够完全自我修复。修复后的薄膜可以恢复其最初的EMI屏蔽效率和超疏水性。此外，由于其巨大的光热和电热特性，除直接加热外，自修复过程可由太阳光照射或电触发，拓宽了自修复材料的应用前景，为制造耐用的功能薄膜提供了一种新的方法。

图文导读

方案1、 具有电磁屏蔽和自清洁性能的仿生自修复膜的制备过程图。

图1、芘接枝多支链聚氨酯（MPU）的合成和性能

图2 （a）石榴的数字图像。(b)PDA@Fe3O4和(c)PMNs的TEM图像。(d) PMNs放大的TEM图像。(e-f）FG和PMNs-FG的SEM图像。(g) PMNs-FG放大的SEM图像。(h) PMNs-FG的EDS图谱图像。(i) SiO2, Fe3O4 NPs, Fe3O4 NPs/SiO2和PMNs的磁滞回线。(j) Fe3O4 NPs、PMNs、FG和PMNs-FG的XRD图案。(k) Fe3O4 NPs、PDA@Fe3O4、PMNs、FG和PMNs-FG的拉曼表征。

图3 (a) 用磁铁吸引的PMNs-FG/MPU薄膜的数字图像。(b)PMNs-FG/MPU薄膜表面的SEM图像，(c)薄膜表面的放大SEM图像，以及(d)薄膜的截面。(e) 表现出突出柔韧性的薄膜的数字图像。(f) 涂在一块有鸭子图案的棉布上的薄膜的数字图像。(g) 涂层织物被弯曲的数字图像。(h)PMNs与FG不同比例的薄膜的导电性。(i) 具有不同比例的PNMs-FG（1 : 2）的薄膜的WCAs。(j) MPU、PMNs/MPU、FG/MPU和PMNs-FG/MPU的应力-应变曲线。

图4 (a)EMI SE，(b)平均SET、SER和SEA值，以及(c)不同成分的薄膜在X波段的平均R、A和T值。(d) 不同厚度的PMNs-FG/MPU薄膜的EMI SE，(e) 平均SET、SER和SEA值，以及(f) X波段的平均R、A和T值。(g)在棉布上涂层PMNs-FG/MPU的图。小米运动手环检测人体心率的数码照片（h）正常情况下，（i）被无涂层织物屏蔽，（j）被涂层织物屏蔽。k）PMNs-FG/MPU薄膜的EMI屏蔽机制示意图。

图5.(a) PMNs-FG/MPU薄膜自我修复过程的光学显微镜图像。(b) 损坏和愈合的PMNs-FG/MPU薄膜的WCAs。(c) 用来测试薄膜导电性的电路。(d) 修复前后连接到2.5V的灯泡上的薄膜的数码照片。(e) 反复自我修复后的薄膜的导电性。(f) 愈合前后不同厚度的PMNs-FG/MPU薄膜的平均EMI SE。(g) 愈合前和愈合后薄膜的应力-应变曲线。

图6. PMNs-FG/MPU复合膜的自愈过程示意图：（a）切割后的复合膜，（b）未完全愈合的复合膜，（c）完全愈合的复合膜，（d）MPU分子像壁虎一样黏在石墨烯上，（e）PMNs-FG/MPU复合膜的详细自愈机制。

图7 (a) 在180 mW cm-2的光照射下，不同薄膜在空气中的温度时间过程。(b) PMNs-FG/MPU复合膜在不同辐照功率密度下的温度曲线。(c) PMNs-FG/MPU复合膜在从100-200 mW cm-2逐步增加的辐照密度下的温度曲线。(d) 在密度为200 mW cm-2的光照射下，PMNs-FG/MPU复合膜的自愈过程。

图9 (a) 不同电压下PMNs-FG/MPU复合膜的温度曲线。(b) PMNs-FG/MPU复合膜在3至7V电压下的温度曲线。(c) PMNs-FG/MPU复合膜在6V电压下40分钟的温度曲线。(d-f) 在6V电压下启动的PMNs-FG/MPU复合膜的自我修复过程的数字图像。(g-i) 用6V电压启动的PMNs-FG/MPU复合膜的自愈过程的红外相机图像。

小结

综上所述，通过使用石榴状的磁性纳米球加载石墨烯片和芘接枝的多支化PU，成功地制造了一种面向EMI屏蔽的自修复复合薄膜。独特的石榴形状的磁性纳米球被提出来作为构建磁性损耗结构的一种新方法。同时，壁虎启发的多触发器自愈机制为功能材料的自愈提供了一种新的策略。

文献：

• https://doi.org/10.1039/D2TA05088A