北化大田明、宁南英教授课题组ACS Nano：面向介电弹性体换能器和柔性电路用超可拉伸液态金属电极

介电弹性体换能器（DET）是一种能够将机械能和电能相互转化的装置，在软机器人、能量收集和人机交互等领域具有广阔的应用前景。开发具有高导电性、高导电稳定性和高顺从性的电极不仅对开发高性能的DET非常重要，同时在实现全柔性电路装置也具有重要意义。Ga基液态金属（LM）具有优异的可变形性和高导电性，在柔性电子领域引起了大量的关注。然而，由于其固有的流动性和高表面张力，纯LM通常不适合复杂和精确的电路。因此，LM通常被处理为微/纳米液滴。为了实现高导电性，LM基复合材料通常需要被施加一定应力或加热等刺激以烧结LM颗粒激活导电通路，这在柔软的介电弹性体（DE）上难以适用。

针对以上问题，北京化工大学张立群院士团队田明教授、宁南英教授课题组设计了一种基于多重动态键交联的超分子-液态金属电极（Supra-LMNs），该电极同时实现了高导电性（16000 S cm-1）、高应变下可忽略的电阻变化（1000%应变下电阻仅增加1.3倍）、室温下瞬时自愈合性和可快速回收性，且可以通过简单的摩擦激活导电通路。这种方法对于在柔性基板上印刷电路特别有吸引力，尤其适用于DE膜。作为介电弹性体发电机（DEG）电极，它将充电时能量损失降低了三个数量级；作为介电弹性体传感器（DES）和介电弹性体驱动器（DEA）电极，它能够实现高度灵敏的传感能力和复杂的人机交互作用。

图1 Supra-LMNs电极的制备及导电性能

作者通过在聚丁二烯（PB）的柔性大分子中引入六亚甲基二异氰酸酯（HDI）作为扩链剂，制备了聚丁二烯基聚氨酯（PBU）。然后，通过硫醇-烯点击反应引入羧基作为侧链，制备羧基接枝的PBU（PBU-COOH）,并引入Zn2+制备具有多重动态键的电极基体。巯基修饰的LM颗粒可与基体产生氢键作用从而作为交联位点，进一步引入AgNWs可传递应力并产生毛细作用，促进导电通路的形成。所制备的电极可以通过简单的摩擦作用激活导电通路，并且能够在大拉伸应变下保持相对恒定的电阻变化，将其在软质基底上制备柔性电路具有广阔的应用前景。

图2 Supra-LMNs 电极用于DEG、DES和DEA

所制备的Supra-LMNs 电极用于DEG电极时具有更低的充电损耗，并且对低电阻负载放电时具有更高的能量密度和能量转换效率；用于DES电极时能够有效识别人的手势，作为DEA仿生手电极时，能够模仿人的手势动作，并且能够抓握自身数倍重量的纸杯。

图3 Supra-LMNs电极自修复和LM快速回收

Supra-LMNs 中的多重氢键和配位键交联使其在室温下具有优异的自修复性能，能够实现室温瞬时自修复，修复后在大拉伸应变下仍具有高导电稳定性。此外，Supra-LMNs能够在氢氧化钠溶液中实现LM快速回收。

综上所述，该工作设计了一种多重动态键交联的超分子-液态金属电极，该电极具有高导电性和导电稳定性，能够在软质基底通过摩擦的方式激活导电通路，在介电弹性体换能器和柔性电路等领域具有广阔的应用前景。

该论文以题为“Superstretchable Liquid-Metal Electrodes for Dielectric Elastomer Transducers and Flexible Circuits”发表在ACS Nano上（ACS Nano, 2023, DOI：10.1021/acsnano.3c12210），北京化工大学博士研究生臧文鹏为文章第一作者，北京化工大学田明教授、宁南英教授以及江英杰博士后为共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金(No. 51525301)和(No. 52221006)的支持。

来源：高分子科学前沿

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