華南理工大學AFM：低密度、可壓縮、彈性3D多孔材料及其應用研究進展

目前，柔性可穿戴電子器件受到了廣泛關注。在此類器件中，低密度、可壓縮、彈性3D多孔材料（compressibleand elastic?3D materials, CEMs）發揮著極其重要的作用。近日，華南理工大學胡藝潔（第一作者，鐘林新、彭新文為共同通訊作者）在Adv. Funct. Mater.雜志上發表題為“Advanced Compressible and Elastic 3D Monoliths beyond Hydrogels”（DOI: 10.1002/adfm.201904472）的綜述文章，總結了近年來先進CEMs的制備及其在傳感、儲能、吸附分離、電磁屏蔽等領域的應用。

圖1 不同結構單元制備的CEMs及其應用。圖片來源：Adv. Funct. Mater.

CEMs的性能主要由以下三個因素決定：1）結構單元的特征、2）結構單元間的相互作用及3）3D網絡的合理結構設計。通常來說，CEMs的可壓縮性和彈性通過結構單元的彎曲變形來實現。良好的結構單元能夠在壓縮時承受一定的彎曲變形（單元壁彎曲）而不會產生裂紋，宏觀表現為材料的可壓縮性能。在此基礎上，當結構單元間具備充分的相互作用以限制它們的不可逆滑動時，可逆的彎曲變形和結構單元間的相互作用使材料在應力消除后迅速恢復到其初始狀態，即表現為彈性。

圖2按照結構特征對目前的CEMs進行了分類及相應的可壓縮與回彈機制。具體而言，可壓縮材料主要為蜂窩狀結構和層狀結構。其中，具有低密度和較小壁厚的蜂窩狀結構材料可通過彈性屈曲來承受較大的結構變形。層狀結構主要依靠壓縮過程中拱形薄片的可逆形變來承受較大的平面外變形，并在去除壓縮力后立即恢復到原始形狀。表1羅列了一些典型的CEMs的制備方法、材料形貌特性、力學性能以及相關應用。

圖2 不同結構的CEMs及其壓縮回彈機理。圖片來源：Adv. Funct. Mater.

表1 一些CEMs的制備方法，結構特征，密度，力學性能及應用。表格來源：Adv. Funct. Mater.

OSCS: Open/stochastic cellular structure. OPCS: Open/periodic cellular structure. CPCS: Close/periodic cellular structure. CSCS: Close/stochastic cellular structure. LS: Lamellar structure.

彈性3D多孔材料（CEMs）的制備

該綜述基于不同的結構單元，歸納了不同的原料如1D碳納米管、2D石墨烯及MXene、高分子聚合物以及生物質制備的CEMs及相關性能。例如，以CNT、石墨烯等為納米結構單元，通過化學氣相沉積或懸浮液冷凍干燥等方式構建3D基底，引入高分子或無定形碳增強結構單元間相互作用力，得到具有優良力學性能的CEMs。也可通過高分子鏈的聚合反應得到高分子基的CEMs。當利用生物質為原材料時，可采用自下而上的組裝策略，通過纖維素等高分子組裝成具有特殊形貌的3D結構；也可采用自上而下的策略，通過木頭去木素等手段得到具有可壓縮和彈性的CEMs。

圖3 高分子基CEMs。圖片來源：Adv. Funct. Mater.

圖4 生物質基CEMs。圖片來源：Adv. Funct. Mater.

彈性3D多孔材料（CEMs）的應用

CEMs在壓縮過程中，隨微結構之間接觸面積的增加會逐漸產生新的導電路徑，從而使材料電阻降低；應力釋放后，材料恢復原始狀態，接觸面積減少，電阻增加。該特性使得CEMs可被應用于壓阻式傳感器。如圖5所示，當組裝為簡易傳感器后，該設備可進行肢體行為檢測和脈搏等生物信號監測，在醫學等領域具有優良應用前景。可壓縮、導電的CEMs還可作為鋰離子電池、Li-S電池、超級電容器的柔性電極，為柔性可穿戴設備提供良好的的材料（圖6）。

圖5 CEMs在傳感領域的應用。圖片來源：Adv. Funct. Mater.

圖6 CEMs在儲能領域的應用。圖片來源：Adv. Funct. Mater.

CEMs還可用于水處理領域，主要包括1）具有疏水性和高吸附能力的聚合物基吸附劑，2）具有優良熱/化學穩定性，可在極端條件下（如高溫，強酸，強堿等）工作的碳基吸附劑。由于CEMs可壓縮、回彈特性，這類材料可通過簡單的擠壓-釋放過程實現再生，在實際應用中具有極大優勢。此外，該綜述還歸納了CEMs在阻火隔熱（圖8）、電磁屏蔽（圖9）、醫用材料等領域的應用。

圖7 CEMs在水處理領域的應用。圖片來源：Adv. Funct. Mater.

圖8 CEMs在阻火隔熱領域的應用。圖片來源：Adv. Funct. Mater.

圖9 CEMs作為電磁屏蔽材料。圖片來源：Adv. Funct. Mater.

綜上，低密度、可壓縮、彈性3D多孔材料（CEMs）具有特殊的性能。通過結構單元的選擇、結構單元間相互作用的構建、以及三維結構的合理設計，可得到具有不同特性和性能的CEMs，在眾多領域具有重要的應用前景。

文獻鏈接：Advanced Compressible and Elastic 3D Monoliths beyond Hydrogels（Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201904472）

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