聶雙喜教授最新AM：一種堅固的摩擦電生物塑料

電子廢棄物對全球環境和人類健康的威脅日益嚴峻，引起了特別關注。可持續和可降解材料合成的摩擦電設備是一種有前途的電子替代品，但在實際應用中仍未解決聚合物基材與電極的界面機械失配問題。

為了解決這個問題，近日王雙飛院士團隊聶雙喜教授課題組利用巰基硅烷反應以及動態共價化學中醇-醚交換反應的化學選擇性和位點特異性，制備了一種高韌性、可降解的單片集成式摩擦電生物塑料。通過共價鍵適應界面相互作用的方式耗散應力，實現了綠色電子材料中聚合物介電層與導電層良好的界面結合。該項成果以題為“A Tough Monolithic Integrated Triboelectric Bioplastic Enabled by Dynamic Covalent Chemistry”發表在最新一期學術期刊《Advanced Materials》（IF=29.4）上。

這種聚合物基材與導電層界面互鎖的單片集成式摩擦電生物塑料，其制備過程主要涉及聚合物表面微結構構筑以及兩個化學反應過程，包括：聚合物表面巰基硅烷化和硫醇-二硫醚交換反應。表面微結構構筑是將再生纖維素（RC）置于定制的具有微光柵結構的模具中，通過熱壓脫水制成。聚合物表面巰基硅烷化是通過（3-巰基丙基）三甲氧基硅烷（MPTMS）向具有表面微結構的RC進行化學接枝，得到巰基硅烷化的再生纖維素（RC-MPTMS）。為了完成硫醇-二硫鍵的交換反應，首先將牛血清白蛋白（BSA）和碳納米管（CNT）復合得到雜化的導電油墨（BSA/CNT）。然后將其涂覆在RC-MPTMS表面。最后脫水干燥完成硫醇-二硫鍵的共價交換反應。

RC-MPTMS與BSA/CNT界面間硫醇-二硫鍵的交換反應是利用了MPTMS中硫醇易于產生反應性硫中心陽離子、陰離子或自由基中間體，以及BSA中兩個Cys間易于氧化形成二硫鍵的特性。涂覆過程使BSA/CNT中原二硫鍵體系引入了RC-MPTMS表面的硫醇，硫醇中親核硫代酸酯攻擊BSA/CNT中原二硫鍵體系，并在RC-MPTMS與BSA/CNT界面間形成新的二硫鍵體系，促使聚合物基材與導電層界面結合。

高力學性能源于摩擦電生物塑料聚合介電層與導電層界面多種相互作用的共同結果。表面微觀結構為化學鍵提供了更多的活性作用位點。動態二硫化物鍵起主要作用，承擔和耗散大部分由加載和拉伸產生的應力。豐富的氫鍵則作為犧牲鍵，通過斷裂和重組以耗散能量和抵抗殘余應力。

圖1. 單片集成式摩擦電生物塑料的設計策略及性能示意圖。

圖2. 摩擦電生物塑料的分析與表征

圖3. 摩擦電生物塑料的力學性能和界面黏附性能

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202311993