研究背景

具有柔韧性、可拉伸性和可打印性的共轭聚合物在软体机器人、健康监测和人机界面方面具有巨大的应用潜力。开发这些柔性电子设备的一个挑战是对长期耐用性的要求。由于划伤、分层、弯曲和拉伸造成的机械故障严重限制了其实用性和寿命。耐用性的降低导致了维护成本的增加和电子垃圾的堆积。材料的自我修复能力，例如裂缝的自动闭合，可以显著提高电子设备的可靠性和使用寿命。

在过去的几十年里，人们一直在追求引入更灵活的分子构件，以开发内在的可拉伸和自愈合的(半) 导电聚合物。另一个重要而有效的策略是在导电聚合物中加入软质材料基体，软质材料具有自愈能力，并能增强活性导电材料的可拉伸性。在各种本征导电聚合物中，目前的基准是聚(3,4-亚乙二氧基噻吩): 聚(苯乙烯磺酸) (PEDOT:PSS)，一种具有最高本征导电性的混合聚合物，它显示了使用软材料/导电聚合物混合策略开发高性能自愈导体的最大前景。尽管如此，大多数这些可愈合的PEDOT:PSS薄膜表现出相对较差的机械性能，且它们的机械性能在愈合后会进一步受到影响。因此，对于导电聚合物来说，同时实现和保持高导电性、高拉伸性和自愈性并非易事。另一个挑战是，当受损面积与薄膜厚度相当时，很难实现高效的自愈过程。因此，目前自愈过程只限于考虑小面积的损伤或厚聚合物层(>1-100 um)。然而，在理想情况下，开发柔性可穿戴电子设备(如电子皮肤)时，希望有一种可自愈的导电薄膜。

研究成果

具有高导电性的可拉伸和自愈合的导电材料对于高性能的可穿戴电子器件和集成设备的应用至关重要，这些应用涉及到大的机械变形。虽然在开发可拉伸和自愈性导电材料方面取得了很大进展，但在愈合前后同时保持和恢复这种功能仍然是一个挑战。 新加坡南洋理工大学Leong Wei Lin教授团队报告了一种高度可拉伸和自愈的导电薄膜，由导电聚合物(聚(3,4-乙烯二 氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)，PEDOT:PSS)和软聚合物(聚(2- 丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸)，PAAMPSA) 组成。这种最佳的薄膜表现出出色的拉伸性，高达630%，电导率高达320 S cm^-1，同时拥有在环境条件下经历严重破坏时修复机械和电气故障的能力。这种聚合物复合膜被进一步用于触觉传感器，它表现出164.5 kPa^-1的良好压力敏感性，接近无滞后性，19 ms的超快响应时间，以及超过1500次连续按压的出色耐久性。此外，还成功展示了一个集成的5x4可拉伸和自愈的有机电化学晶体管(OECT) 阵列，具有很好的器件性能。所开发的可拉伸和自愈的导电薄膜大大增加了可穿戴电子产品的实用性和保质期，这反过来又减少了维护成本和电子废物的堆积。相关研究以“A Highly Conducting Polymer for Self-Healable, Printable, and Stretchable Organic Electrochemical Transistor Arrays and Near Hysteresis-Free Soft Tactile Sensors”为题发表在Advanced Materials期刊上。 

研究亮点

1.首次成功地展示了一种高度可拉伸和自愈的导电聚合物，它具有很强的导电性，通过纳入动态的分子间键，PEDOT:PSS和PAAMPSA之间形成的氢键和离子键能够在施加应变或因机械拉伸或刀片切割而发生严重损坏时，通过断键进行能量耗散机制，而这些动态键可以被重建以修复受损区域，从而在环境条件下(≈23%CRT,≈50%RH)恢复其机械性能。2.  最佳的PEDOT:PSS/PAAMPSAVIL薄膜表现出高达630%的拉伸性和320 S cm^-1的高导电性，同时拥有在环境条件下经历严重损坏时修复机械和电气故障的能力。3.  展示了一种触觉压力传感器，表现出高压灵敏度(164.5 kPa^-1),超快的响应时间低至19 ms，以及卓越的操作稳定性，在1500次循环测试后性能变化可忽略不计。4.  该研究结果提供了一个简单、低成本但有效的策略，以开发一个高度可拉伸和自愈的导体，实现可变形的电子产品和未来大面积的工业生产。

图文导读

Figure 1. PEDOT:PSS/PAAMPSA/IL films.

Figure 2. a) Current change of the self-healable PEDOT:PSS/PAAMPSA/IL film with repeated cut-and-heal cycles. b) Photographs of freestanding PEDOT:PSS/PAAMPSA/IL film during consecutive mechanical conditions of cutting apart, recontacting, self-healing, and stretching. c) Stress/strain behavior of free-standing PEDOT:PSS/PAAMPSA/IL film before and after healing. d) The corresponding resistance changes under stretching for both original and self-healed films. Inset is the zoom-in image from 10–70% strain. e) Comparison of conductivity and stretchability presented in this work to representative self-healable and stretchable conductors reported in the literature.

Figure 3. Characterization and sensing performance of tactile sensor using the PEDOT:PSS/PAAMPSA/IL system.

Figure 4. Stretchable and self-healable PEDOT:PSS/PAAMPSA/IL OECTs array.

总结与展望

综上所述，作者成功地展示了一种具有强大导电性的自愈性和高度可拉伸的导电聚合物，通过在导电聚合物PEDOT:PSS和软材料PAAMPSA之间加入动态键，包括氢键和离子键。在PEDOT:PSS和PAAMPSA之间形成的氢键和离子键能够在施加应变或受到机械拉伸或刀片切割的严重损害时，通过断裂键进行能量耗散机制，而这些动态键可以被重建以修复受损区域，从而在环境条件下(≈23°CRT，≈50%RH)恢复其机械性能。最佳的PEDOT /PAAMPSA薄膜表现出高达630%的拉伸性和320Scm-1的高导电性，同时在经历严重破坏时，有能力在环境条件下修复机械和电气故障。此外，在修复前后没有观察到杨氏模量(≈0.8 MPa)的明显变化。使用最佳的PEDOT/PAAMPSA薄膜，作者成功地展示了一种触觉压力传感器，表现出高压灵敏度(164.5 kPa^-1)，超快的响应时间低至19毫秒，以及卓越的操作稳定性，在1500次测试后性能变化可忽略不计。所制造的触觉传感器表现出极大的实用性，可用于人机交互系统，以识别抓取物体的重量。此外，还提出了一个大面积的可拉伸OECTs阵列，其器件性能优异(具有12.95±1.85 mS的高跨导，7.1 ms的快速瞬态响应速度，以及良好的电化学掺杂/掺杂稳定性)。值得注意的是，这种OECTs阵列具有≈200纳米的薄通道厚度，在环境条件下表现出显著的自愈性，这进一步表明其在电子皮肤电子学方面的效用。该研究结果提供了一个简单、低成本但有效的策略，以开发一个高度可拉伸和自愈的导体，以实现可变形的电子产品和未来大面积的工业生产。

文献链接

A Highly Conducting Polymer for Self-Healable, Printable, and Stretchable Organic Electrochemical Transistor Arrays and Near Hysteresis-Free Soft Tactile Sensors, Adv. Mater. 2022, 2200682，DOI: 10.1002/adma.202200682

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200682