近日，浙江工业大学刘善秋，姚信威以及西安交大李平团队在国际Top期刊《Small》发表题为《Interface-Encoded Dynamic Covalent Crosslinking Enables Ultra-Stretchable, Signal-Stable Conductive Elastomers》的研究论文，通讯作者是刘善秋教授、姚信威教授与李平副教授，第一作者是浙工大硕士研究生刘青。论文提出了一种界面编码动态共价交联（Interface-Encoded Dynamic Covalent Crosslinking）策略，通过在导电填料与聚合物之间建立可动态交换的共价界面，成功突破了传统导电弹性体中"界面强度提高导致材料变硬"这一长期存在的瓶颈，实现了4200%超高拉伸、高稳定导电、自修复及循环再利用等多项性能协同提升，为下一代柔性电子器件提供了新的设计理念。

一、引言

近年来，柔性电子器件、智能可穿戴系统以及电子皮肤等新兴领域快速发展，对导电弹性体提出了更高要求。理想的导电弹性体不仅需要具备优异的力学性能和超大形变能力，还应在复杂形变过程中保持稳定的导电网络和可靠的电信号输出。然而，目前广泛采用的碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维等导电填料通常依赖范德华力或氢键等弱相互作用与聚合基体结合，在循环拉伸过程中易发生界面滑移、填料脱落和导电网络破坏，导致传感性能下降、信号漂移以及器件寿命缩短。

为了增强界面作用，研究人员尝试构建永久共价交联网络，但强共价键会限制聚合物链段运动，使材料柔韧性下降，难以兼顾高强度和高拉伸性能。因此，如何在增强界面结合的同时保持网络动态可调，实现导电性能、力学性能和循环稳定性的协同优化，仍是高性能导电弹性体研究中的关键科学问题。

基于此，作者提出了一种界面编码动态共价交联（Interface-Encoded Dynamic Covalent Crosslinking）策略。通过利用硫辛酸修饰碳纳米纤维，在导电填料与聚硫辛酸弹性体之间建立可动态交换的二硫键界面，并结合离子液体构筑电子-离子协同导电网络，使导电填料由传统的惰性导电组分转变为动态交联节点，实现了超高拉伸、高稳定传感、自修复及循环利用等多项性能协同提升，为高性能柔性电子材料设计提供了新的研究思路。

二、实验（研究设计）

（1）材料设计

作者以硫辛酸（LA）为动态共价网络构筑单元，对碳纳米纤维（CNF）进行表面功能化，制备得到具有动态二硫键结构的CNF-LA；随后以聚硫辛酸（PLA）为弹性体基体，引入离子液体（IL），构建电子—离子双导电网络，实现导电填料与聚合物基体之间的动态共价界面。

（2）研究路线

首先，通过酰胺化反应将硫辛酸接枝至碳纳米纤维表面，引入可动态交换的二硫键结构；随后利用硫辛酸开环聚合构建聚硫辛酸弹性体网络，并将功能化碳纳米纤维均匀分散于基体中，同时加入离子液体调控离子传导性能。最终获得兼具动态交联、优异力学性能和稳定导电性能的导电弹性体。

（3）结构与性能表征

采用FTIR、XPS、TGA、SEM等手段对CNF-LA表面官能团及界面结构进行表征；利用拉伸测试、循环加载、自修复实验评价材料的力学性能；通过电导率测试、应变传感测试和人体运动监测评价导电及传感性能；结合DFT理论计算分析动态界面的增强机制。

Q：为什么要采用“界面编码（Interface-Encoded）动态共价交联”策略？各组成部分分别发挥什么作用？

A：本工作通过硫辛酸（LA）修饰碳纳米纤维（CNF），在导电填料与聚合物基体之间构建动态二硫键界面，使导电填料由传统的导电组分转变为动态交联节点，实现导电性能、力学性能和界面稳定性的协同提升。各组分作用如下：LA提供动态二硫键，赋予材料自修复和可重复加工能力；CNF构建导电网络，并作为动态交联节点增强界面结合；PLA作为柔性弹性体基体，提供优异的拉伸性能和动态网络支撑；IL构建电子-离子协同导电网络，提高导电性和传感稳定性；动态二硫键界面通过可逆交换实现应力耗散和网络重构，在增强界面结合的同时保持链段运动自由度，使材料兼具4200%超高拉伸、稳定导电、自修复及循环利用等优异性能。

三、图文赏析

图 1 导电弹性体的动态共价界面设计与构建。（a）具有动态共价二硫键界面交联的导电弹性体制造示意图。CNF衍生物的高分辨率XPS光谱：（b）CNF-OH的C 1s;（c）CNF-NH2的C 1s和（d）N 1s;（e）CNF-LA 的 C 1s，(f)N 1s,以及（g）CNF-LA的S 2p。

图1：主要展示了动态共价二硫键界面交联导电弹性体的设计构想与化学合成步骤。核心策略在于通过三步法将惰性碳纳米纤维（CNFs）改性为表面带有 1,2-dithiolane 环的活性纳米填料（CNF-LA），使其从传统的“被动填料”转变为“主动的动态共价交联剂”。高分辨率 XPS 谱图（b-g）精细表征了改性过程中 C 1s、N 1s 及 S 2p 的化学状态演变，C-S 和 S-S 独特双峰的出现强有力地证明了硫辛酸基团成功共价接枝于 CNF 表面。通过将 CNF-LA 与硫辛酸单体共混并引发热致开环聚合，构筑了分子级共价集成的弹性体网络，并协同引入离子液体（IL）以构建电子/离子双导电通路，为兼顾超高拉伸性与电化学稳定性奠定了坚实的基础。

图2机械性能与动态共价强化。（a）弹性体的光学图像，显示其超高拉伸性。（b）不同CNF-LA载荷的弹性体的应力-应变曲线。（c）杨氏试量和韧性随CNF-LA含量变化。（d）具有不同IL含量的弹性体应力-应变曲线。用CNF-OH和CNF-LA制备弹性体的比较：（e）应力-应变曲线和韧性;（f）不同应变水平下的循环拉伸响应;（g）界面结构的示意图。（h）通过动态二硫键实现弹性体基体与CNF-LA之间的界面结合能，以及通过氢键与CNF-OH之间的结合。（i）相应界面相互作用和键长的示意分子模型。除非另有说明，基础弹性体配方含有1 wt.% CNF-LA和50 wt.% IL。

图2：重点呈现了弹性体优异的超强拉伸性（拉伸应变 > 4000%）、高韧性及其内部的界面强化机制。核心数据表明，当 CNF-LA 负载量为最佳的 1 wt.% 时，材料展现出明显的屈服行为和高达 4200% 的断裂伸长率；同时，调节 IL 含量能有效释放网络自由体积，进一步协同提升大应变形变能力。对比测试显现，CNF-LA 体系的拉伸强度是未改性 CNF-OH 体系的约 2 倍，韧性更是高达 9 倍，且在 2500% 的大应变循环拉伸下表现出极低的滞后和优异的弹性恢复。密度泛函理论（DFT）计算从分子尺度阐明了机制：CNF-LA 界面处的动态二硫键共价结合能远超物理氢键与范德华作用，这种相互作用的能级梯队使得材料在受载时能通过高效的键交换消除应力集中、抑制界面滑移，实现了强度与延展性的完美双赢。

图3弹性体的电气和感应性能。（a） 不同CNF-LA和CNF-OH含量的弹性体的导电性。（b） 相对电阻变化（ΔR/R0）随应变及相应的规范因子变化。（c） CNF-LA和CNF-OH在100%应变下弹性体的快速机电响应。（d）肘部弯曲时的相对阻力变化。（e）行走和跑步时膝盖屈曲时的相对阻力反应。（f） ΔR/R0 作为食指弯曲角（0-120-0°）的函数，配合 CNF-LA 和 CNF-OH 的弹性体。（g）对“beautiful”一词发音的电响应。（h） 不同应变水平下的循环阻力响应。（i） CNF-LA和CNF-OH在50%应变下弹性体的ΔR/R0演化过程。（j） CNF-LA和CNF-OH弹性体在循环拉伸载荷-卸载下内部微观结构演化的示意图。

图3： 主要展示了导电弹性体卓越的电学传导与高灵敏应变传感特性。得益于均匀的填料分散及共价键合导致的低隧穿壁垒，CNF-LA 弹性体的电导率比普通物理共混体系提升了 3-5 倍。传感器展现出极宽的线性传感窗口（0%-3000% 对应应变），且灵敏度系数随应变分段增大（最高GF达8.13）。在动态响应测试中，材料表现出极短的信号延迟与极高的电化学稳定性。将其贴附于人体关节（肘关节、膝关节、手指等）及喉部，传感器不仅能精准、无滞后地捕捉大范围剧烈肢体运动，还能敏锐分辨高频微弱的语音生理信号（如单词“beautiful”的语音波形）。在 200 次持续应变循环及长达 1000 次长周期测试中，CNF-LA 体系基线几乎零漂移，信号响应极其稳定。其机理在于界面共价 adaptive 键在拉伸/断裂释放时能可逆重构，完美避免了普通复合材料常见的填料拔出与微孔隙导致的信号不可逆衰减。

图4 室温自愈和闭环回收。（a）室温下宏观自愈的光学图像。（b） CNF-LA和CNF-OH中弹性体修复时间的修复效率。（c）切割和愈合后电导率的恢复。（d）愈合前后弯曲手指时的感知信号比较。（e）自我愈合机制的示意图。（f）回收过程的摄影演示。（g）回收前后最大拉伸应力和断裂应变。（h）回收前后电导率。（i）以雷达图对本研究进行对应同行报告的导电弹性体进行基准测试。

图4：集中展示了材料令人惊叹的智能室温自愈合与绿色闭环回收性能。纯物理接触下，切断的弹性体在室温放置 1h 即可恢复 78% 的强度，12h可实现近100% 的全恢复；更令人惊艳的是，导电通路在断裂面接触的瞬间便能近乎瞬间原位恢复（100% 电学愈合），且愈合后的器件进行弯曲传感测试时信号无缝衔接，不仅如此，得益于动态共价网络的拓扑排列可逆性，材料展现出极佳的热压重塑回收能力：在经过 3 次“剪碎-热压”闭环循环回收后，材料的断裂应变、应力及电导率均未见明显衰减。在综合性能雷达图中，本工作在拉伸传感范围0%-3000%、稳定电导率、高效室温自愈合以及出色的循环可回收性之间取得了极佳的平衡表现，为下一代可持续、长寿命柔性电子设备的发展开辟了全新的策略。

四、 科学启迪

Q：界面编码（Interface-Encoded）动态共价交联策略为何能够同时实现超高拉伸与稳定导电？

A：一是通过硫辛酸修饰碳纳米纤维（CNF），在导电填料与聚硫辛酸（PLA）基体之间构建动态二硫键界面，使导电填料由传统的导电组分转变为动态交联节点，实现界面增强与网络重构的协同作用；二是动态二硫键能够在受力过程中持续发生可逆交换，有效耗散应力、缓解界面损伤，同时保持聚合物链段的运动自由度，使材料兼具高强度和超高拉伸性能；三是离子液体（IL）的引入构建了电子—离子协同导电网络，在提高导电性能的同时增强导电网络的连续性和稳定性；四是动态界面赋予材料优异的室温自修复、重复加工及循环利用能力，使材料在多次形变和再加工后仍能保持稳定的力学性能和传感性能；五是该策略突破了传统导电弹性体中"增强界面结合必然降低柔韧性"的设计瓶颈，为高性能柔性电子材料提供了一种兼顾结构稳定性、功能性和可持续性的全新设计思路。

作者简介

刘善秋

本文通讯作者浙江工业大学教授

主要研究领域：（1）功能微/纳孔材料；（2）高性能导电弹性体与器件；（3）功能表界面与涂层材料。

简介：荷兰特文特大学博士，瑞士苏黎世大学博士后，现任职浙江工业大学，入选浙江省海外高层次引才计划，钱江特聘专家，浙江省科技副总，运河青年学者人才计划与南太湖精英计划，现为中国青科协与浙江省青科协成员。

近年来，团队在 Advanced Materials、Nano-Micro Letters、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Small 等国际知名期刊发表系列研究成果40余篇，申请发明专利10余项，并主持国家自然科学基金项目、浙江省海外高层次引才项目、企业技术开发项目及专利成果转化项目等。

Email：shanqiuliu@zjut.edu.cn

姚信威

本文通讯作者浙江工业大学教授

主要研究领域：（1）类脑计算; （2）群智计算; （3）群智感知与协同; （4）多模态具身智能。

简介：全国吴文俊人工智能优秀青年奖获得者、浙江省杰出青年基金获得者、杭州市十大青年科技英才，中国计算机学会CCF杰出会员、中国人工智能学会CAAI理事兼高级会员、IEEE Senior Member高级会员。

Email:  xwyao@zjut.edu.cn

李平

本文通讯作者西安交通大学副教授

主要研究领域：（1）探索新型自旋拓扑态及其场效应管的设计；（2）探索界面效应诱导的新奇量子效应；（3）铁谷、铁磁、铁电等多铁耦合诱导新奇物性研究；（4）反常霍尔效应（量子反常霍尔效应）、自旋霍尔效应、非线性霍尔效应研究；（5）机器学习探索磁性起源。

简介：物理实验青年编委，陕西省青年科技新星，“国创计划”优秀指导教师，MGE Advances青年编委，中国物理学会（CPS）终身会员，英国物理学会（IOP）值得信赖审稿人，入选全球前2%顶尖科学家2022-2024年榜单。

Email：pli@xjtu.edu.cn

因课题组发展需要，在材料科学与工程方向以及材料结构与性能计算模拟方向常年招聘青年教师、博士后及科研助理。有意者请和刘老师联系：shanqiuliu@zjut.edu.cn