界面断裂与软物质力学的前沿研究分享

21天前浏览2528

文一：

仿生叶脉启发的透气抗冲击可穿戴电子产品——具有健康监测、电磁干扰屏蔽和热管理功能

摘要：

透气且可拉伸的导电材料是医疗保健可穿戴电子设备的理想选择。然而，电子传感器的灵敏度和检测范围与简单功能电子学带来的挑战之间的权衡限制了它们的发展。在这里，受仿生叶脉导电路径的启发，将组装在非织造布（NWF）上的银纳米线（AgNWs）-Ti3C2Tx（MXene）杂化结构很好地夹在多孔聚硼硅氧烷弹性体（PBSE）之间，构建了具有高抗冲击性能和良好传感性能的多功能透气可穿戴电子产品。得益于高导电性的AgNWs-MXene杂化结构，NWF/AgNWs-MXene/PBSE纳米复合材料表现出高灵敏度（GF=1158.1）、宽监测范围（57%）、可控的热管理性能和优异的电磁干扰屏蔽效果（SET=41.46dB）。此外，由于PBSE具有良好的剪切硬化作用，NWF/AgNWs MXene/PBSE具有较高的能量吸收性能。结合深度学习，这种可呼吸的电子设备可以进一步应用于无线传感手套和多功能医疗带，这将推动电子皮肤、人机交互和个性化医疗监测应用的发展。

图：透气、柔性和保形多孔导电NWF/AgNWs MXene/PBSE夹层复合材料的制备。（A）多孔导电NWF/AgNWs-MXene/PBSE夹层复合材料的制备工艺示意图。（B） NWF/AgNWs MXene/PBSE的SEM图像（横截面）。（C） NWF/AgNWs MXene/PBSE的光学图像（俯视图）。（D） PBSE的储能模量（G'）和损耗模量（G''）。（E）不同样品的水蒸气透过率（WVTR）的比较图。（F）穿过可透气NWF/AgNWs MXene/PBSE的热水蒸汽的光学图像。（G）粘合剂和保形NWF/AgNW MXene/PBS的光学图像。

图：仿生叶脉MXene/AgNWs交替组装导电路径改性非织造布。

图：NWF/AgNWs-MXene/PBSE 复合材料的传感性能。

图：基于深度学习的BLE传感手套，用于抓握动作识别。（A）抓握动作识别系统的总体结构和数据流。（B）感应手套采集的不同抓握动作的光学图像和相应的阻力信号。（C）信号分类模型的结构。（D）深度学习后根据四个抓取动作嵌入t-SNE的聚类图像。（E）信号分类模型的混淆矩阵。

图：多孔导电NWF/AgNWs MXene/PBSE夹层复合材料的EMI屏蔽能力。

图：基于BLE的多功能皮带，具有传感、抗冲击和热管理功能。（A）具有精确热管理和BLE抗冲击传感功能的三层多功能皮带示意图。（B）志愿者佩戴的腰带背面焦耳加热区域的光学图像。（C）志愿者佩戴的皮带的正面照片，该皮带有一个前口袋用于存放电池，外部有一个数字电压调节器模块，用于在多个水平上调节温度。（D）人体背部穴位图。（E）通过可调电压模块（2-4 V）控制不同温升的皮带红外成像。（F）红外成像带的固定加热区域由多分支和开关控制设计。（G）通过内置电源和可控电路实现便携式运动皮带的红外成像。（H） BLE感应带的光学图像，具有脉冲电阻信号监测和过度用力报警功能。

文二：

水凝胶中动态键引起的断裂容限

摘要：

在软材料中，具有动态键的水凝胶可以被一系列刺激激活，包括温度、pH、红外或紫外光，构成了一类特殊的材料，具有不寻常的性能，如自修复、致动和可控降解。在这里，我们以具有可重构二硫键交联的水凝胶为例，研究其力学行为。我们证明，当二硫化物交联被紫外线照射激活时，该材料具有优异的抗断裂和疲劳性能。我们提出了一个简单的本构模型，描述了材料在各种条件下的力学行为。

图：动态粘合和应力消除。（a）动态键重配置和应力释放的说明。（b）以AAm为单体，BAC为交联剂合成了水凝胶。（c）紫外线照射形成的自由基攻击二硫键，破坏和重整交联。（d）应力-时间曲线显示了在紫外线照射下的应力松弛。（e）使用偏振光显示应力轮廓的拉伸试样的双折射图像。

图：紫外线照射下水凝胶内新交联的破坏和形成。

图：拉伸实验。

图：在紫外线照射下进行的各种施加标称应力值的单轴蠕变实验。

图：具有动态键的水凝胶断裂。

图：动态水凝胶的疲劳。

文三：

抑制锂离子电池电极分层的捕捉设计

摘要：

在大容量锂离子电池（LIBs）中，预锂化已得到深入研究。然而，优化LIBs的预硫化程度以延长其使用寿命仍然是一个挑战。基于一个关注电极界面分层的分析模型，揭示和讨论了预硫对抑制LIBs降解的积极作用，除了直接追求文献中广泛报道的高第一库仑效率外。对于全充放电循环，与没有预锂化的情况相比，精心设计的预锂化可以有效地抑制分层并将脱粘尺寸减小约25%。对于将部分充放电循环和预锂化相结合的策略，通过精心设计的预锂化，可以显著提高约100%的无脱粘的最大可逆容量。这项工作有望提供一种预锂化设计原理，并进一步提高LIB电极的机械稳定性。

图：浓度依赖性轴对称电极分层的图解。

图：充放电全循环预充电设计图。

文四：

动态共价键水凝胶的缺陷敏感性

摘要：

动态共价键赋予聚合物独特的力学性能，如可调的粘弹性响应和自修复能力。关于动态聚合物断裂的研究最近开始了。然而，动态共价键如何影响动态聚合物的缺陷敏感性仍然难以捉摸。在此，我们制备了具有动态二硫键的聚丙烯酰胺水凝胶作为模型材料。在紫外线照射下，动态键交换反应有效地释放了集中在裂纹尖端的应力，使水凝胶对缺陷的敏感性降低。值得注意的是，动态水凝胶在紫外线照射下的断裂拉伸和断裂应力都远高于对照组。我们进一步研究了光引发剂浓度和动态键含量对动态水凝胶缺陷敏感性的影响。光引发剂浓度或动态键含量的增加增强了动态键交换反应，导致水凝胶的应力松弛和缺陷敏感性的提高。此外，我们利用这种缺陷不敏感性来调整具有双边裂纹的动态水凝胶中的裂纹传播路径。裂纹在未辐照区域扩展，但在辐照区域延迟，表现出不对称断裂模式。我们希望这项工作能为具有动态共价键的聚合物的设计提供新的见解。

图：具有动态共价键的水凝胶的缺陷敏感性。（a） PAAm链的化学结构，以及具有二硫键的交联剂BACA。（b）二硫键交换反应示意图。在紫外线照射下，二硫键会随机断裂和重建。（c）当预切割的水凝胶被拉伸时，应力集中在裂纹尖端附近。在紫外线照射下，应力链在裂纹尖端附近重新排列，应力松弛。（d）预切割的动态水凝胶在紫外线照射下比没有紫外线照射下可以拉伸得更多。

图：有或没有紫外线照射的动态水凝胶的破裂。

图：通过选择性紫外线照射调节动态水凝胶的裂纹扩展。

文五：

通过大规模桥接实现具有高抗脱粘性的可拉伸非均匀粘合

摘要：

可拉伸粘合对于软材料的实施至关重要，但由于断裂过程区的体积有限，目前可拉伸粘合剂的抗剥离性较低。在此，我们提出了一种策略，通过编程结构不均匀性调用大规模桥接来实现具有高抗脱粘性的可拉伸粘合。我们在软基质中布置具有高弯曲刚度的刚性段，使得软段起到可拉伸桥的作用以提供整体拉伸性，而刚性段起到刚性岛的作用以引发大规模桥接机制。我们通过使用聚丙烯酸丁酯-丙烯酸异冰片酯作为软段和聚甲基丙烯酸甲酯作为硬段来制备非均相粘合剂来验证这一原理。我们通过将刚性段的长度调节到桥接区的饱和尺寸来优化抗脱粘性，并与全软粘合剂相比获得了13倍的增强。作为概念验证，我们展示了一种可拉伸的灯带和一种用于缺口修复的可拉伸绷带。工程结构的不均匀性为设计具有高抗脱粘性的可拉伸粘合提供了一种替代方法。