广西大学徐传辉教授AFM：仿生皮肤互锁结构！超薄高韧相变薄膜，多功能柔性器件迎新机遇

随着全球能源消耗40年间激增80%，高效存储与转化清洁能源成为迫切需求。相变材料（PCM）虽在热能管理领域前景广阔，却长期受限于两大瓶颈：传统复合材料需依赖高含量导电填料（通常>20 wt%），导致机械性能劣化；同时难以兼顾光/电/磁等多功能定制，限制了其在柔性电子设备中的广泛应用。

近日，广西大学徐传辉教授团队受人体皮肤"表皮-真皮互锁结构"启发，提出一种通用型仿生界面策略。该工作通过固-液两步成膜法，在创纪录的低填料负载量（0.56-3.76 wt%）下制备出双层柔性PCM薄膜。其界面通过相分离结构和基底粗糙表面实现分子级互锁，兼具超高拉伸性（562%）、可调强度（>4.3 MPa）与韧性（>16 MJ m⁻³），同时突破性地将光热/电热转换效率提升至90%以上，为太阳能-热电发电机（STEG）等器件提供了新解决方案。

仿生设计：皮肤启发的精密界面工程

图1揭示了材料的仿生设计原理：类比皮肤表皮层（20-500 μm）的防护功能，团队以水性聚氨酯（WPU）为基体构建厚度仅66 μm的导电层（"表皮"），通过聚乙烯吡咯烷酮（PVP）修饰的羧基多壁碳纳米管（cMWCNTs）形成导电网络；相变层（"真皮"）则由乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）包裹聚乙二醇（PEG）构成。关键创新在于利用水处理诱发基底表面粗糙度提升303.8%（图2g），结合PVP桥接的氢键网络，实现两层间无缝互锁。扫描电镜（图2h,i）清晰显示PCM层聚合物嵌入导电层，形成力学锚定点。

图1 受人类皮肤启发的、具有广泛可定制功能的仿生双层相变材料制备示意图，突出环保、柔性、强韧界面、成本效益和多功能特性。

图2 a) D-x薄膜制备流程：液相浇注→干燥固化→相分离结构形成 b) 固-液两步成膜法制备的1097 cm²柔性双层复合材料实物图 c) D-x薄膜正反面照片（PEG侧与CNT侧） d) EPS0P6薄膜SEM图像及C、O、N元素分布图 e) D-0.2薄膜截面偏光显微镜图像 f) WP-0.2薄膜三维原子力图（粗糙度Ra=8.92 nm） g) 水处理后的WP-0.2三维光学轮廓仪图像（Ra=2.71 μm） h,i) D-0.2薄膜截面SEM图像（25 μm尺度）

界面增强机制：氢键主导的协同效应

原子力显微镜（图3a-d）证实PVP可强化WPU的微相分离结构，硬段区（亮部）与软段区（暗部）界面分明。当PVP含量达15 wt%时，界面模量差异降至1个数量级内（图3f,g），避免应力集中。傅里叶红外光谱（图3h）和X射线光电子能谱（图3i,j）揭示PVP与PEG的C=O和O-H基团发生键合偏移，证明氢键增强作用。这种"牺牲键"机制（图5a）使材料在拉伸时可有效耗散能量，即使经历1000次弯曲仍保持结构完整（图7c）。

图3 a-d) 薄膜AFM相图：a) WPU b) WPU/PVP c) WP-0.2 d) D-0的WP-0侧 e) D-0.2承载1 kg钢块实物图 f,g) D-0.2截面AFM高度图与杨氏模量分布图 h) 不同PVP含量的EPaPb薄膜FTIR光谱 i) EPS0P3与EPS0P6薄膜XPS C 1s谱 j) EPS0P3与EPS0P6薄膜N 1s核心能级谱 k) EPS0P6薄膜变温FTIR光谱 l) PVP、WPU及WPU/PVP的FTIR光谱 m) WPU与WPU/PVP的XPS全谱 n,o) WPU与WPU/PVP的O 1s高分辨谱 p) D-0基底侧XPS O 1s谱

卓越的力学与热管理性能

力学测试显示（图4），当PVP含量为6 wt%时，相变层（EP50P6）拉伸强度达5.6 MPa，韧性19 MJ m⁻³。优化后的双层膜（D-0.2）兼具504%延展性和20.3 MJ m⁻³韧性（图4j）。热性能方面（图6），D-0.2熔融/结晶温度为48/30°C，相变焓达51.13 J g⁻¹（与单层相当），证实界面结合不影响储能密度。其热导率（0.362 W m⁻¹K⁻¹）使表面温差较对照组降低4.2°C（图6k），红外成像显示导电层如"热屏障"缓冲温度波动（图6m）。

图4 a) 样品厚度统计（WP-c膜、EPaPb膜、D-x膜） b-d) EPaPb膜力学性能：b) 应力-应变曲线 c) 拉伸强度与断裂伸长率 d) 杨氏模量与韧性 e-g) D-x膜力学性能：e) 应力-应变曲线 f) 拉伸强度与断裂伸长率 g) 韧性 h-j) WP-0.2、EP50P6与D-0.2对比：h) 应力-应变曲线 i) 拉伸强度与断裂伸长率 j) 杨氏模量与韧性

图5 a) D-x薄膜拉伸断裂示意图 b) WPU/PVP材料平均粗糙度（Ra） c-g) 不同样品拉伸断面SEM图：c) D-0.05 d) D-0.1 e) D-0.15 f) D-0.2 g) D-0.25

图6 a,b) EPS0P6、EP70P6、EP90P6、D-0.15、D-0.2的DSC升/降温曲线 c) PEG2000及复合材料的XRD图谱 d) EPS0与EP50P6的二维广角X射线散射及一维积分谱 e) EPS0P6结晶过程实物图 f) EPS0P6降温过程偏光显微镜图像 g) D-0.2变温XRD谱 h,i) 75°C加热25分钟后样品形状稳定性与热成像（1-8对应不同样品） j) EPS0P6与WP-0.2膜面内热导率 k,l) D-0.2与EPS0P6升/降温过程温度-时间曲线与红外热成像 m) D-0.2与EPS0P6组成双箭头图案的热成像

多场景能量转换应用

电热测试中（图7），D-0.2在10V电压下60秒升温至82.2°C，转换效率高达92.09%（图7h）。光热性能更突出（图8）：碳纳米管侧吸收率在200-2500 nm波段全面增强，100 mW cm⁻²光照下50秒升温54°C，效率78.15%。集成STEG系统后（图8j），在343 mW cm⁻²光照下输出460 mV电压，光关闭后仍维持56 mV输出37秒（图8l,m）。团队还拓展了磁响应（图9d-f）和防晒功能（图9n,o）：添加Fe₃O₄的薄膜可吸附0.143g钢块，TiO₂改性层使光照温差达12.6°C。

图7 a) WP-c样品电导率 b) D-0.2弯曲测试电阻变化 c) D-0.2弯曲1000次后SEM图 d) 不同湿度下D-0.2电阻变化 e) 按压D-0.2薄膜的电阻响应示意图 f) 不同电压下D-0.2红外热像图（60秒） g) 不同电压下表面温度-时间曲线 h) 温度与电压平方的线性拟合 i) 梯度电压下表面温度变化

图8 a) D-0.2在不同状态（平整/弯曲/扭曲）下的红外热像 b) EP50P6与D-0.2正反面实物图 c) D-0.2与EP50P6紫外-可见-近红外光谱 d) 相同光强下D-0.2与EP50P6温度-时间曲线 e) D-0.2加热过程红外热成像 f,g) 不同光强照射30秒/420秒温度分布 h) 表面温度与光功率密度线性拟合 i) 100 mW cm⁻²下光热循环曲线 j,k) STEG系统示意图与实物图 l,m) STEG系统输出性能与实时温度曲线（343 mW cm⁻²）

图9 a) D-F0.2薄膜柔韧性实物图 b,c) D-F0.2截面SEM图及元素分布 d) 磁响应示意图 e) D-F0.2磁化曲线 f) 25/50°C下磁性PCM吸附状态 g-i) 不同质量样品磁响应测试（磁体触发距离与质量关系） j) D-T0.05薄膜柔韧性实物图 k,l) D-T0.05截面SEM图及元素分布 m) D-T0.05（白色）与D-0.05（黑色）实物对比 n) 不同光强下D-T0.05与D-0.05红外热像 o) 二者温差（ΔT）对比

该研究为多功能PCM开辟了新道路。其环保工艺（水基成膜、低温干燥）、超低填料需求与可扩展生产（已制备1097 cm²薄膜）显著降低成本，在可穿戴设备、智能建筑和可持续能源系统中具有广阔前景。正如研究者指出："这种受皮肤启发的界面策略，如同为相变材料装上'智能表皮'，将加速柔性电子与绿色能源的融合演进。"

来源：高分子科学前沿

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