同济大学祖国庆课题组AFM综述: 可拉伸气凝胶和泡沫用于柔性电子器件及其他领域

随着对人工智能、机器人、电子皮肤、医疗保健和能量存储/转换的需求不断增加，柔性电子产品的研究重点已经从仅可弯曲和可卷曲转向可拉伸。近年来，可拉伸气凝胶和泡沫因其独特的多孔结构、低密度、高孔隙率和高柔性而在柔性电子领域引起广泛关注。拉伸性能的提升是气凝胶和泡沫最具挑战性的问题之一。近年来，同济大学材料科学与工程学院祖国庆课题组在高可拉伸气凝胶（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202213952.; Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2308537.; Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2400589.）和泡沫（Nat. Commun. 2024, 15, 392.; Small 2024, 20, 2305925.）方面取得了巨大进展。

虽然关于可压缩和可弯曲气凝胶和泡沫的综述较多，但关于可拉伸气凝胶和泡沫的综述尚未见报道。鉴于此，近日，祖国庆课题组对可拉伸气凝胶和泡沫进行全面综述。这项工作全面回顾了可拉伸气凝胶和泡沫的最新发展，包括它们的制备、结构、性能和应用。总结了可拉伸气凝胶和泡沫的制备方法、典型结构、拉伸原理及其结构、拉伸性和其他性能之间的关系。介绍了它们在可拉伸应变/压力传感器、电极和导体、化学和生物传感器、超级电容器、电池、摩擦纳米发电机、电磁屏蔽、微波吸收、热管理、吸附、分离/过滤和形状记忆等方面的最新应用。此外，还总结了可拉伸气凝胶和泡沫的挑战和机遇。这项工作为可拉伸气凝胶和泡沫以及下一代高性能柔性电子产品的开发提供了指导。该工作以“Advanced Stretchable Aerogels and Foams for Flexible Electronics and Beyond”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊上（10.1002/adfm.202408707）。文章第一作者为博士梁兴，通讯作者为祖国庆。该研究得到国家自然科学基金、上海社会发展科技攻关项目等资助。

可拉伸气凝胶和泡沫可以通过不同方法制备，包括溶胶-凝胶、冷冻铸造、3D打印、发泡、模板、静电纺丝、热压/预拉伸、和激光辐照法等。得益于其独特的多孔结构和可拉伸性，可拉伸气凝胶和泡沫在柔性应变/压力传感器、可拉伸电极和导体、可拉伸化学传感器和生物传感器、可伸缩超级电容器、可拉伸电池、可拉伸摩擦纳米发电机、可拉伸电磁屏蔽材料、可拉伸热管理材料、可伸缩吸附/分离/过滤材料、可伸展形状记忆材料等方面显示出广阔的应用前景（图1）。

图1可拉伸气凝胶和泡沫的典型制备方法及应用

不同的制备方法可以获得具有不同拉伸性的气凝胶和泡沫。可拉伸性的差异主要源于不同的多孔结构。典型的可拉伸多孔结构包括柔性聚合物网络结构、柔性聚合物基复合网络结构、层状和蜂窝状多孔结构、微晶格结构、纤维基多孔结构、卷曲和折叠多孔结构，以及蛇形和波浪形多孔结构、Kirigami和格状多孔结构以及螺旋多孔结构等宏观可拉伸的多孔结构（图2）。

图2 气凝胶和泡沫的典型可拉伸多孔结构

不同的微观或宏观结构可能导致不同的可拉伸性。一般来说，具有一些特殊宏观结构（如卷曲多孔结构）的气凝胶和泡沫表现出最高的拉伸性，可达5400-7000%。这是因为特殊的宏观结构在拉伸时可能会经历展开过程，可以承受较大的变形。此外，这些宏观多孔结构可以促进应力传递，避免拉伸过程中的应力集中，从而降低断裂风险。

对于没有宏观可拉伸结构的气凝胶和泡沫，有机和有机-无机杂化气凝胶（通常在16-430%范围内）和泡沫（通常在15-1250%范围内）的拉伸性通常高于无机气凝胶（一般在18-200%范围内）以及泡沫（一般在20-16%范围内）。有机聚合物通常比无机材料具有更高的柔韧性和延展性。此外，有机和有机-无机杂化气凝胶网络中的聚合物分子在拉伸时可能会变形、旋转和滑动，这可以促进能量耗散并降低应力集中。因此，与无机气凝胶相比，聚合物基有机和有机-无机杂化气凝胶在拉伸时通常可以发生更大的变形而不会断裂，从而实现更高的可拉伸性（图3）。

图3 各种可拉伸气凝胶和泡沫的典型结构和拉伸性总结

可拉伸气凝胶和泡沫虽已取得巨大的进展，但仍存在一些挑战和机遇（图4）。化学成分、形貌、孔径、骨架尺寸、孔隙率以及聚合物和导电材料之间的界面会显著影响气凝胶和泡沫的机械性能（包括拉伸性、压缩性、弹性、抗拉强度和抗疲劳性）。因此，需要系统研究这些微观结构对可拉伸气凝胶和泡沫力学性能的影响规律。有必要为可拉伸气凝胶和泡沫的微观结构与力学性能之间的关系建立更深入的理论基础，以便为优化气凝胶和泡沫的力学性能提供指导，从而更好地满足不同应用的需求。

基于可拉伸气凝胶和泡沫的柔性电子器件的电学性能和拉伸稳定性需要进一步提高。其微观结构（如孔隙率、孔径和化学成分）需要进一步优化，保持其高拉伸性的同时提升柔性多孔电子器件的电学性能。大多数已报道的气凝胶和泡沫基可拉伸电子器件的拉伸稳定性依然难以满足实际应用的需求。这些柔性电子器件的电气/电化学性能很容易受到拉伸的影响。基于气凝胶和泡沫的拉伸应变不敏感高性能可拉伸电子器件的研究将是未来的发展趋势，值得进一步深入研究。

图4 可拉伸气凝胶和泡沫的挑战和未来

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202408707

通讯作者简介

祖国庆，上海特聘专家，上海海外高层次引进人才和上海市浦江人才计划入选者，同济大学材料科学与工程学院博士生导师、课题组组长。从事基于气凝胶和离子凝胶的柔性电子器件、智能传感、热管理等方面的研究。以第一/通讯作者在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano等高水平期刊发表学术论文30余篇，其中ESI高被引论文2篇，VIP论文2篇，总被引用2000余次。主持国家自然科学基金等多项项目。欢迎优秀硕士和博士生以及博士后加入本课题组，感兴趣的同学可将简历和成果等资料发至邮箱：guoqingzu@tongji.edu.cn。

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来源：高分子科学前沿

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