形状记忆聚氨酯分子网络设计和功能化集成研究获进展

聚氨酯被誉为“第五大塑料”。现有聚氨酯材料的发展，越来越受到其功能性限制，难以平衡高力学性能与多功能性之间的矛盾以及极端苛刻环境下不稳定性。

近年来，中国科学院兰州化学物理研究所对聚氨酯材料的分子设计、性能突破和功能化集成进行了深入研究，开发出了多种具有巧妙分子设计的多功能形状记忆聚氨酯材料。

强化学交联赋予高力学性能但牺牲了动态性与可修复性，而柔性设计利于功能实现却往往导致强度或者可拉伸性不足。针对这个问题，研究团队将两者相结合，通过引入物理交联和化学交联，在聚氨酯内部构筑交织网络结构。具体来说，四重氢键能有效地耗散能量，而交织网络结构则能在外力作用时稳定分子网络。这种分子网络设计不仅在提升聚氨酯材料强度的同时，没有以牺牲弹性为代价，还能赋予聚氨酯动态特性，能实现诸如形状记忆、自修复和可回收等功能特性。

为探索聚氨酯材料的应用潜力，基于上述研究，研究团队对聚氨酯材料内部分子网络设计和功能化进行深入研究。为实现材料的导电性，团队提出了一种分子工程范式，利用氟的双重功能在聚氨酯基质中构建空间相关但功能独立的动态网络。通过引入含氟扩链剂和多氢键单元，构建了氟-阳离子相互作用与高密度氢键协同的动态网络，氟的高电负性不仅与封端剂形成离子键增强网络稳定性，还通过偶极相互作用固定阳离子，构建阴离子传输通道，保障离子高效迁移。团队成功制备了一种具备超敏感多参数监测功能，可用于极地可穿戴设备形状记忆聚氨酯材料。

针对极地等极端环境的挑战，团队重点测试了材料的低温耐受性。在-40℃时，材料仍能保持较高的强度、韧性、可拉伸性和离子电导率。此外，该材料表现出负温度系数行为，在-40℃至-30℃超低温区间的温度系数电阻高达8.05%℃^-1，且在连续热循环测试中表现出良好的稳定性和可重复性，展现了其在深冷环境下可靠应用的潜力。

作为高灵敏、可自修复的“离子皮肤”，该材料在健康监测方面表现卓越。实验证明，它能精准监测手指、手腕、肘部等关节的不同弯曲动作，并区分深、浅不同的呼吸模式。尤为关键的是，当用作心电图监测电极时，它采集的信号质量符合临床要求。

这一巧妙的分子设计为极端环境下柔性电子设备的设计提供了新的聚合物工程策略，突破了传统材料的性能权衡限制。

相关研究成果发表在《自然-通讯》（Nature communications）上。研究工作得到国家自然科学基金委、中国科学院青年创新促进会、中国科学院战略性先导科技专项等的支持。

论文链接

具有交织网络结构的聚氨酯材料分子设计与性能平衡策略

材料的分子设计以及极地环境中的应用示意图