聚氨酯（PU）被譽為“第五大塑料”，因其卓越的性能譜系，是不可或缺的“關鍵材質基礎”。然而，現(xiàn)有聚氨酯材料的發(fā)展，越來越受到其功能性單一，難以平衡高力學性能與多功能性之間的矛盾以及極端苛刻環(huán)境下不穩(wěn)定的限制，無法滿足實際應用需求。

近年來，中國科學院蘭州化學物理研究所蘭州潤滑材料與技術創(chuàng)新中心聚合物自潤滑復合材料課題組對聚氨酯材料的分子設計、性能突破和功能化集成進行了深入研究，開發(fā)出了多種具有巧妙分子設計的多功能形狀記憶聚氨酯材料。

眾所周知，強化學交聯(lián)賦予高力學性能但犧牲了動態(tài)性與可修復性，而柔性設計利于功能實現(xiàn)卻往往導致強度或者可拉伸性不足。針對這個問題，研究團隊將兩者相結合，通過引入物理交聯(lián)和化學交聯(lián)，在聚氨酯內(nèi)部構筑交織網(wǎng)絡結構（ACS Appl. Mater. Interfaces. 16(35) (2024)046822–46833）。具體來說，四重氫鍵能有效的耗散能量，而交織網(wǎng)絡結構則能在外力作用時穩(wěn)定分子網(wǎng)絡。這種分子網(wǎng)絡設計不僅在提升聚氨酯材料強度的同時，沒有以犧牲彈性為代價，還能賦予聚氨酯動態(tài)特性，能實現(xiàn)諸如形狀記憶、自修復和可回收等功能特性。

為探索聚氨酯材料的應用潛力，基于上述研究，研究人員對聚氨酯材料內(nèi)部分子網(wǎng)絡設計和功能化進行深入研究。為實現(xiàn)材料的導電性，引入更多具有額外極性的極性鍵是一種可能的策略，如碳-氟（C-F）鍵。由于F原子的高電負性，C-F鍵的強靜電性質會增強進入體系的電子極性，這樣陰離子和陽離子可彼此分布得更遠，在聚合物內(nèi)部移動更自由�；�于此，研究人員提出了一種分子工程范式，利用氟的雙重功能在聚氨酯基質中構建空間相關但功能獨立的動態(tài)網(wǎng)絡。通過引入含氟擴鏈劑和多氫鍵單元，構建了氟-陽離子相互作用與高密度氫鍵協(xié)同的動態(tài)網(wǎng)絡，氟的高電負性不僅與封端劑形成離子鍵增強網(wǎng)絡穩(wěn)定性，還通過偶極相互作用固定陽離子，構建陰離子傳輸通道，保障離子高效遷移。從而成功制備了一種具備超敏感多參數(shù)監(jiān)測功能，可用于極地可穿戴設備形狀記憶聚氨酯材料。

針對極地等極端環(huán)境的挑戰(zhàn)，團隊重點測試了材料的低溫耐受性。在-40℃時，材料仍能保持較高的強度、韌性、可拉伸性和離子電導率。此外，該材料表現(xiàn)出負溫度系數(shù)行為，在-40℃至-30℃超低溫區(qū)間的溫度系數(shù)電阻高達8.05% ℃-1，且在連續(xù)熱循環(huán)測試中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和可重復性，彰顯了其在深冷環(huán)境下可靠應用的潛力。

這一巧妙的分子設計為極端環(huán)境下柔性電子設備的設計提供了新的聚合物工程策略，突破了傳統(tǒng)材料的性能權衡限制。相關成果以“Shape-memory polyurethanes for polar wearables with ultrasensitive multi-monitoring”為題發(fā)表在Nature Communications上，蘭州化物所陳天澤博士為論文第一作者，張新瑞研究員和徐靜博士后為共同通訊作者。

以上工作得到了國家自然科學基金委、中國科學院青年科學家基礎研究項目、中國科學院青年創(chuàng)新促進會、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）等的支持。

(關鍵字：聚氨酯)