华南理工大学AFM：低密度、可压缩、弹性3D多孔材料及其应用研究进展

目前，柔性可穿戴电子器件受到了广泛关注。在此类器件中，低密度、可压缩、弹性3D多孔材料（compressibleand elastic 3D materials, CEMs）发挥着极其重要的作用。近日，华南理工大学胡艺洁（第一作者，钟林新、彭新文为共同通讯作者）在Adv. Funct. Mater.杂志上发表题为“Advanced Compressible and Elastic 3D Monoliths beyond Hydrogels”（DOI: 10.1002/adfm.201904472）的综述文章，总结了近年来先进CEMs的制备及其在传感、储能、吸附分离、电磁屏蔽等领域的应用。

图1 不同结构单元制备的CEMs及其应用。图片来源：Adv. Funct. Mater.

CEMs的性能主要由以下三个因素决定：1）结构单元的特征、2）结构单元间的相互作用及3）3D网络的合理结构设计。通常来说，CEMs的可压缩性和弹性通过结构单元的弯曲变形来实现。良好的结构单元能够在压缩时承受一定的弯曲变形（单元壁弯曲）而不会产生裂纹，宏观表现为材料的可压缩性能。在此基础上，当结构单元间具备充分的相互作用以限制它们的不可逆滑动时，可逆的弯曲变形和结构单元间的相互作用使材料在应力消除后迅速恢复到其初始状态，即表现为弹性。

图2按照结构特征对目前的CEMs进行了分类及相应的可压缩与回弹机制。具体而言，可压缩材料主要为蜂窝状结构和层状结构。其中，具有低密度和较小壁厚的蜂窝状结构材料可通过弹性屈曲来承受较大的结构变形。层状结构主要依靠压缩过程中拱形薄片的可逆形变来承受较大的平面外变形，并在去除压缩力后立即恢复到原始形状。表1罗列了一些典型的CEMs的制备方法、材料形貌特性、力学性能以及相关应用。

图2 不同结构的CEMs及其压缩回弹机理。图片来源：Adv. Funct. Mater.

表1 一些CEMs的制备方法，结构特征，密度，力学性能及应用。表格来源：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.

弹性3D多孔材料（CEMs）的制备

该综述基于不同的结构单元，归纳了不同的原料如1D碳纳米管、2D石墨烯及MXene、高分子聚合物以及生物质制备的CEMs及相关性能。例如，以CNT、石墨烯等为纳米结构单元，通过化学气相沉积或悬浮液冷冻干燥等方式构建3D基底，引入高分子或无定形碳增强结构单元间相互作用力，得到具有优良力学性能的CEMs。也可通过高分子链的聚合反应得到高分子基的CEMs。当利用生物质为原材料时，可采用自下而上的组装策略，通过纤维素等高分子组装成具有特殊形貌的3D结构；也可采用自上而下的策略，通过木头去木素等手段得到具有可压缩和弹性的CEMs。

图3 高分子基CEMs。图片来源：Adv. Funct. Mater.

图4 生物质基CEMs。图片来源：Adv. Funct. Mater.

弹性3D多孔材料（CEMs）的应用

CEMs在压缩过程中，随微结构之间接触面积的增加会逐渐产生新的导电路径，从而使材料电阻降低；应力释放后，材料恢复原始状态，接触面积减少，电阻增加。该特性使得CEMs可被应用于压阻式传感器。如图5所示，当组装为简易传感器后，该设备可进行肢体行为检测和脉搏等生物信号监测，在医学等领域具有优良应用前景。可压缩、导电的CEMs还可作为锂离子电池、Li-S电池、超级电容器的柔性电极，为柔性可穿戴设备提供良好的的材料（图6）。

图5 CEMs在传感领域的应用。图片来源：Adv. Funct. Mater.

图6 CEMs在储能领域的应用。图片来源：Adv. Funct. Mater.

CEMs还可用于水处理领域，主要包括1）具有疏水性和高吸附能力的聚合物基吸附剂，2）具有优良热/化学稳定性，可在极端条件下（如高温，强酸，强碱等）工作的碳基吸附剂。由于CEMs可压缩、回弹特性，这类材料可通过简单的挤压-释放过程实现再生，在实际应用中具有极大优势。此外，该综述还归纳了CEMs在阻火隔热（图8）、电磁屏蔽（图9）、医用材料等领域的应用。

图7 CEMs在水处理领域的应用。图片来源：Adv. Funct. Mater.

图8 CEMs在阻火隔热领域的应用。图片来源：Adv. Funct. Mater.

图9 CEMs作为电磁屏蔽材料。图片来源：Adv. Funct. Mater.

综上，低密度、可压缩、弹性3D多孔材料（CEMs）具有特殊的性能。通过结构单元的选择、结构单元间相互作用的构建、以及三维结构的合理设计，可得到具有不同特性和性能的CEMs，在众多领域具有重要的应用前景。

文献链接：Advanced Compressible and Elastic 3D Monoliths beyond Hydrogels（Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201904472）

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