以下文章来源于柔性电化学 ，作者哥尼亚是
—背景简介—
高伸缩性多孔材料在柔性电子领域具有广阔的应用前景，但其制备却面临着巨大的挑战。在这里，同济大学材料科学与工程学院祖国庆课题组介绍了几种具有低或负泊松比的高伸缩性导电多孔弹性体的单轴、双轴和三轴热压策略。单轴热压得到的具有折叠多孔结构的还原氧化石墨烯/聚合物纳米复合弹性体表现出高达1200%的高伸缩性。此外，通过双轴（或三轴）热压获得了具有高双轴（或三轴）伸缩性和负泊松比的具有可重入多孔结构的超弹性体。由此产生的基于弹性体的可穿戴应变传感器表现出超宽的响应范围（0-1200%）。该材料可用于智能热管理和电磁干扰屏蔽，这是通过通过拉伸调节多孔微结构来实现的。这项工作为高度可拉伸和negative-Poisson-ratio多孔材料提供了一种通用策略，具有各种应用的前景，如柔性电子、热管理、电磁屏蔽和储能。相关研究成果以“Stretchable and negative-Poisson-ratio porous metamaterials”为题刊发在Nature Communications杂志上面。
主要内容
折叠式中国灯笼因其手风琴或蜂窝状结构（图1a）可以高度压缩和拉伸。受折叠式灯笼的启发，通过单轴、双轴和三轴热压策略开发了高度拉伸的多孔rGO/聚合物纳米复合弹性体（图1b-d）。rGO以氧化石墨烯（GO）为原料，PU泡沫（PUF）、PU（分散在水中）、聚乙烯醇（PVA）或三聚氰胺泡沫（MF）为增韧聚合物。乙醇二胺或（3-氨基丙基）三乙氧基硅烷作为GO的交联剂和还原剂。通过吡咯的原位氧化聚合将聚吡咯（PPy）引入气凝胶中，以进一步提高它们的电导率。
图1. 可拉伸负泊松比多孔超材料制备与应用
典型rGO/聚合物多孔材料热压前后的外观如图所示。通过引入不同增韧聚合物（PUF、PU、PVA和MF）获得的原始rGO/聚合物气凝胶表现出不同形貌的高度多孔结构。在rGO/PPy/PUF1、rGO/PPy/PUF2和rGO/PVA/MF中观察到相互连接的rGO纳米片。此外，rGO/PPy/PUF1、rGO/PPy/PUF2和rGO/PPy/PU的骨架上有许多不规则的球形颗粒，热压后保存良好。这些粒子被认为是聚苯乙烯聚合物，它们是通过吡咯的原位氧化聚合沉积的。
图2. 多孔超材料的形貌、可拉伸性和泊松比
得益于其特殊的多孔结构，热压rGO/聚合物弹性体表现出高拉伸性和高弹性。单轴热压弹性体rGO/PPy/PUF1-UHP和rGO/PPy/PUF2-UHP表现出高拉伸性，断裂伸长率分别为810%和1250%，可逆伸长率分别大于700%和800%。在500%应变下stretching-releasing1000次循环后，rGO/PPy/PUF1-UHP几乎恢复了原来的形状，表明弹性体具有高弹性和抗疲劳性（图3f）。rGO/PPy/PU-UHP和rGO/PVA/MF-UHP在x方向也表现出高拉伸性，断裂伸长率分别为470%和112%，可逆伸长率分别为400%和100%。
图3. 多孔超材料拉伸原位形貌及其在热压与拉伸过程中的有限元分析
热压rGO/聚合物弹性体可以在z方向可逆压缩80%，表现出高压缩性和弹性。热压弹性体的压缩应力显著增强。具有较小孔隙、较高体积密度和较低孔隙率的压缩骨架有助于热压弹性体的较高抗压强度。此外，热压rGO/聚合物弹性体表现出高弯曲性。热压弹性体的高压缩性、可弯曲性和弹性可能归因于PUF1、PUF2、PVA和MF的可逆变形性以及rGO和柔性聚合物的协同作用。
对热压rGO/聚合物弹性体在拉伸和压缩过程中的原位形貌观察，以探讨多孔结构的变形机理。单轴热压弹性体（rGO/PPy/PUF1-UHP和rGO/PPy/PUF2-UHP）在0-800%拉伸应变范围内沿x方向拉伸时，孔径变大，折叠孔壁沿x方向展开。拉伸后热压弹性体的形貌与未热压的原始气凝胶相似。在双轴热压弹性体（rGO/PPy/PUF1-BHP）的情况下，在x和y方向拉伸时，孔径在0-250%拉伸应变范围内沿x4b方向展开（图4b）。值得注意的是，在x方向拉伸时，孔沿y方向远离中心（图4b），证实了双轴热压rGO/聚合物弹性体在微观结构变化方面的负泊松比。此外，观察到热压弹性体的孔进一步压缩，在z方向压缩时孔径变小。
图4. rGO/聚合物复合多孔超材料的应变/压力传感性能和应用
热压rGO/聚合物弹性体得益于其高拉伸性、高压缩性和高弹性，可用于ultrabroad-range-response应变和压力传感器，这是传统多孔材料无法实现的。rGO和PPy的引入使rGO/聚合物弹性体导电，使得所得的基于弹性体的应变/压力传感器能够以电阻模式工作（图5a）。所有rGO/聚合物弹性体的电阻随着拉伸应变的增加而增加，随着压缩应变（或压力）的增加而减少（图5b，c）。如图4a，b所示，热压弹性体的孔径变大，拉伸时相邻孔壁的接触点数量减少，导致导电路径减少，电阻增加。相反，热压弹性体的孔被压缩，压缩时产生更多的接触点，这导致导电路径增加和电阻降低。
图5. rGO/聚合物复合多孔超材料可调的热管理与电磁屏蔽性能
由于其多孔结构，热压弹性体可用作热管理的隔热材料。rGO/PPy/PUF1-UHP和rGO/PPy/PU-UHP在室温和环境压力下的热导率分别为0.034和0.029 W m−1K−1，其值分别低于一些商业隔热材料，如矿棉，并与挤出聚苯乙烯和聚氨酯泡沫相当，表明它们是隔热材料。传统隔热材料通常表现出固定的隔热性能。传统隔热材料的孔径通常不能通过拉伸可逆调整。然而，热压rGO/聚合物弹性体的孔径仅通过不同应变的拉伸就可以在很宽的范围内高度可调（图4a、b）。由于热压弹性体表现出高拉伸性、高弹性和可逆可调的孔径，因此它们有望通过拉伸实现可逆可调的隔热，以实现智能热管理。
—小结—
通过单轴、双轴和三轴热压策略制备了几种具有低泊松比或负泊松比的高伸缩性导电rGO/聚合物纳米复合弹性体。通过这些热压策略，具有正泊松比的高可压缩气凝胶可以转化为泊松比为零或负的高伸缩性超弹性体。单轴热压弹性体具有压缩和折叠的多孔结构，表现出零或低泊松比、高达1200%应变的高伸缩性、高压缩性和高弹性。双轴热压超弹性体具有可重入的多孔结构，表现出高双轴拉伸性和负泊松比。此外，通过三轴热压获得了具有可重入多孔结构、高三轴拉伸性和不同方向负泊松比的超弹性体。所得弹性体可应用于可穿戴应变和压力传感器。此外，它们还可用于可逆可调的热管理和电磁干扰屏蔽，这是通过简单地通过拉伸来调节多孔微结构来实现的。我们期望利用这些通用策略开发各种低泊松比或负泊松比的高拉伸多孔材料，并赋予它们在柔性电子、热管理、电磁干扰屏蔽、储能等方面的新性能和应用可能性。
链接：Nat. Commun., 2024, 15, 392, DOI: 10.1038/s41467-024-44707-3
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