聚氨酯（PU）被誉为“第五大塑料”，因其卓越的性能谱系，是不可或缺的“关键材质基础”。然而，现有聚氨酯材料的发展，越来越受到其功能性单一，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的限制，无法满足实际应用需求。
近年来，中国科学院兰州化学物理研究所兰州润滑材料与技术创新中心聚合物自润滑复合材料课题组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。
众所周知，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，四重氢键能有效的耗散能量，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。
图1.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
为探索聚氨酯材料的应用潜力，基于上述研究，研究人员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，引入更多具有额外极性的极性键是一种可能的策略，如碳-氟（C-F）键。由于F原子的高电负性，C-F键的强静电性质会增强进入体系的电子极性，这样阴离子和阳离子可彼此分布得更远，在聚合物内部移动更自由。基于此，研究人员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。从而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。
图2.材料的分子设计以及极地环境中的应用示意图
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，彰显了其在深冷环境下可靠应用的潜力。
图3.材料的耐低温性能
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。
图4.材料的传感性能及在健康监测中的应用
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。相关成果以“Shape-memory polyurethanes for polar wearables with ultrasensitive multi-monitoring”为题发表在Nature Communications上，兰州化物所陈天泽博士为论文第一作者，张新瑞研究员和徐静博士后为共同通讯作者。
以上工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院青年科学家基础研究项目、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（B类）等的支持。
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