Directed Assembly of Liquid Metal–Elastomer Conductors for Stretchable and Self-Healing Electronics

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202001642

人们对软机器人，可拉伸电子产品和电子皮肤的兴趣日益浓厚，因此对软，顺应性和可拉伸电极和互连器件提出了需求。该研究中，介电泳(DEP)是用来组装，排列和烧结共晶镓铟(EGaIn)微滴，使其在未固化的聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)形成导电微线。这种方法有几个值得注意的方面。1）通常，硅酮中的EGaIn小滴（接近90 wt％的载荷）保持绝缘并仅在进行烧结时形成导电网络。在这里，DEP有助于以低至10 wt％的负载将EGaIn液滴组装成导电微线。2）首次在有机硅中进行DEP，使微丝能够在可拉伸的基质中固化。3）液态EGaIn液滴在DEP期间烧结，形成可拉伸的金属微丝，该微丝在固化有机硅后仍保持其形状。4）DEP可以在严重损坏的电线的缝隙中组装有机硅–EGaIn“墨水”，以创建可拉伸的互连，以机械和电气方式修复损坏。该研究中表示，这种DEP方法导致EGaIn微丝的电阻值较低（3–8Ω），而与以前的复合工作（> 85 wt％）相比，在EGaIn填充物的负载量（10 wt％）明显较低的情况下即可实现。尽管LM线通常会由于几何形状的变化而在伸长过程中改变电阻，但此处报告的线的电阻值在拉伸到100％应变时会发生变化，并且由于曲折形状而在数百个应变循环中以不同的弯曲半径弯曲。另外，微线可以原位重整以电连接两个导体，从而修复严重的机械损坏，恢复原来电导率的74％。聚合物基质中EGaIn微滴的DEP辅助排列也释放了在软基质中创建按需电路的潜力。

Reconfigurable Assembly of Active Liquid Metal Colloidal Cluster

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202007911

通过模仿蒲公英的生长行为，报告了棒状共晶镓铟合金（EGaIn）液态金属胶体电动机的可重构组件。通过超声辅助物理分散法合成了直径为210 nm，长度为850 nm的EGaIn纳米棒。纳米棒具有核-壳结构，具有30 nm GaOOH壳和零价液体核。EGaIn电动机以41.2μms ^-1的速度自主移动在声场下。通过调制所施加声场的频率，EGaIn胶体电动机会自组织成各种条纹和圆形图案，然后是类似花的簇。通过对驻波声场的频率进行微调，可以将这些条带化的EGaln电机簇首先转换为准圆形模式，然后将其转换为在声压场中每个节点具有空间组织良好的类似蒲公英的簇。这些EGaln胶体运动簇可以共同移动，并像风驱散蒲公英种子一样分解。这种受蒲公英启发的可重构液体金属胶体电机集群为将液体金属用于下一代智能材料和纳米技术提供了机会。

Flexible electrically conductive biomass-based aerogels for piezoresistive pressure/strain sensors

https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.05.136

本文利用简单的冷冻干燥技术，将聚苯胺(PANI)与细菌纤维素/壳聚糖(BC/CH)复合材料相结合，制备了柔性、可压缩、导电的多孔PANI/BC/CH气凝胶。当BC:CH质量比为1:1时，PANI/BC/CH气凝胶具有最高的电阻响应，并表现出极高的灵敏度(1.41 kPa)、可以检测低压应力(32 Pa)、压力变形范围广、作为压阻式传感器稳定性好等特点。将聚二甲基硅氧烷(PDMS)嵌入到PANI/BC/CH气凝胶中，形成了在大变形条件下具有良好稳定性的PANI/BC/CH PDMS复合材料。此外，还报道了PANI/BC/CH气凝胶和PANI/BC/CH/PDMS复合材料在可穿戴设备压阻式传感器中的应用，可用于检测从关节运动到语音识别的人体运动，从而表明其在健康监测系统中的可行性。

Mechanically flexible, waterproof, breathable cellulose/polypyrrole/ polyurethane composite aerogels as wearable heaters for personal thermal management

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126222

多功能可穿戴加热器是个人热管理领域日益增长的需求的理想选择。本文提出了一种利用纤维素纳米纤维（CNF）气凝胶、聚吡咯（PPy）、氟化整理剂和聚氨酯（PU）制成的防水透气复合气凝胶构建可穿戴加热器的有效可行策略。所制备的复合气凝胶具有重量轻（0.14g/cm）、优异的机械稳定性和优异的焦耳加热性能（在4v约70s时可达173℃），工作电压低，加热速度快。由于氟化剂和表面粗糙度的协同作用，它们的水接触角（WCA）高达135°。气凝胶在5.8±0.8kgm d时具有较高的透气性（186.622lsm）和良好的水蒸气透过率（WVT）。这些良好的特性使得复合气凝胶在智能服装、可穿戴设备和个人热管理系统中具有很好的应用前景。

Aqueous Liquid Crystals of Graphene Oxide

DOI:10.1021/nn200069w

通讯作者：高超

单位：浙江大学

     液晶（LC）的形成是从定向石墨烯片材生产宏观、周期性自组装材料的最可行方法。研究发现，易溶的单层氧化石墨烯（GO）片材在水中可以形成向列型液晶，并建立其各向同性向列型固相图与质量分数和盐浓度的关系。 GO水分散体的zeta电位约为-64 mV，其绝对值随盐浓度的增加而降低，这表明带负电荷的GO片之间的静电排斥力是GO LCs系统中的主要相互作用力，也解释了盐依赖性相行为。对于平均直径为2.1μm，多分散指数为83％的单层GO片材，各向同性-向列相转变发生在质量浓度为0.025％处，而稳定的向列相则形成为约0.5％。 GO片在水分散体和固态中的有序性通过偏光光学显微镜，小角X射线散射，扫描电子显微镜和透射电子显微镜的表征来证明。通过共聚焦激光显微镜进行的直接实时荧光检查进一步显示，单独分散的荧光GO片沿其长轴与方向对齐。这些新颖的发现揭示了各种石墨烯的相行为，并为制造长程有序纳米物体和宏观组装的基于石墨烯的功能材料奠定了基础。

Highly Brilliant Noniridescent Structural Colors Enabled by Graphene Nanosheets Containing Graphene Quantum Dots

DOI：10.1002/adfm.201802585

通讯作者：周金明，宋延林

单位：河北师范大学

非晶光子结构（APS）的非虹彩结构颜色最重要的属性是足够的颜色亮度和饱和度，很难同时进行优化。通过向APS掺杂石墨烯纳米片（其中包含少量GQD）来制备出色的非虹彩结构色。石墨烯纳米片的均匀光吸收和GQD出色的激发可调PL特性在提高结构色彩饱和度和亮度方面起着重要作用。 GQDs的吸收，PL和APS的伪PBG之间的相互作用使GQD的PL在与伪PBG的波长匹配的波长下提高了2倍，从而将APS的峰值分量强度提高了约2.3倍，这种增强功能不仅对于鲜艳的非虹彩结构色至关重要，而且还提供了一个平台，可以基于短程APS调整和增强GQD的PL。通过这种方法，可以在各种常见的平坦或弯曲的基材（例如塑料，纸张，陶瓷，布料和光亮的金属）上轻松制作出具有鲜明结构色彩和丰富色彩的装饰图案。此外，通过使用优化的APS薄膜作为模板，展示了一种出色的彩色湿度传感器。传感器可以通过其可调结构颜色报告RH，这些颜色在可见光谱中覆盖约160nm的较宽波长范围。与基于具有周期性光子结构和虹彩颜色的光子晶体的常规感测平台相比，这种具有鲜艳的非虹彩结构颜色的湿度传感器更加便捷，避免了颜色对视角的混淆。通过容易地石墨烯掺杂来改善APS膜的颜色亮度，将有助于结构色在装饰，包装，颜料，油漆，传感器，显示器或其他与颜色相关的领域中的实际应用。

文献：Lightweight, tough, and sustainable cellulose nanofiber-derived bulk structural materials with low thermal expansion coefficient 

通讯地址：中国科学技术大学 

通讯作者：俞书宏 

 结构材料在人们的日常生活中扮演者不可或缺的作用，然而常见的金属、陶瓷和聚合物基结构材料都有明显的优势和缺点。为了制备各方面性能都很优异的结构材料，研究人员通常采取的方法是将这三种基本材料进行复合来制备复合结构材料。不过，很多的研究结果显示复合材料的每一项性能(如强度、密度、韧性和热尺寸稳定性)很难超越其组成材料中的最高指标，所以多组分复合只能算是一种折中的方法。因此，开发一种各种性能均很优异的廉价本体结构材料仍是行业内面临的一大难题。 日前，中国科学技术大学俞书宏院士团队开发了一种以细菌纤维素凝胶为前驱体、通过热压粘合来批量化制备具有层状结构的纤维素基结构材料(CNFP)的方法。结果显示，这种绿色环保的CNFP具有轻质高强韧的优异性能，其性能均超越航空铝合金和钢，且其密度仅为钢的六分之一，铝合金的一半。而在-120~150℃的测试温度范围内，热膨胀系数极小。作为结构材料使用的CNFP的每一个性能指标均接近甚至高于金属、陶瓷和聚合物材料中的最高值。因此在Ashby相图中呈现出第四类结构材料的特性。 可以预见，这种采用可再生细菌纤维素作为原材料，利用简便和可大规模生产的方法制备了具有又轻、又强、又韧、又尺寸稳定特性的纤维素基结构材料，在未来的建筑、交通、电子、化工、新能源和航天航空等诸多领域显示出了巨大的应用潜力。

 文章：Ultra-Strong, Ultra-Tough, Transparent, and Sustainable Nanocomposite Films for Plastic Substitute 

通讯地址：中国科学技术大学 

通讯作者：俞书宏 尽管塑料已经为人类社会服役了超过一个世纪的时间，然而无处不在的塑料也成为了“白色污染”的根源，残留在土壤里的微塑料颗粒甚至可以被小麦与生菜吸收。因而这些塑料制品成为了当今环保的头号难题之一。 为了解决上述问题，科学家们已经在可降解、可回收的高分子制品上付出了相当大的努力。然而大多数解决方案都无法生产出同时具有高强度、高韧性并且透明的薄膜，并且没有实现规模化生产。但是此类材料有望在柔性器件、商品包装等多个领域替代传统的塑料制品，因而如何克服传统可降解材料在高强度和高韧性方面的力学不兼容性，并进一步实现高透明度和大规模生产就成为了研究的热点之一。 近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队在这一领域又做出了突破性成果。通过具有大规模生产潜力的气溶胶辅助生物合成方法，20×40 cm2珍珠母仿生结构的纳米粘土/细菌纤维素纳米复合材料被制备出来。这一材料的拉伸强度达到了482 MPa，韧性达到了17.71 MJ/m3，超过了目前绝大多数珍珠母仿生材料。此外，高透明性（83.4%在550 nm）、高雾度（88.8%在550 nm）、低热膨胀系数（~3 ppm/K）、超薄（~20 μm）的特性使其在柔性器件及光管理材料领域具有广阔的应用前景。 

Regenerated isotropic wood 

通讯地址：中国科学技术大学 

通讯作者：俞书宏 

木材一直是广泛使用的结构材料，但天然实木受到大尺寸材料稀少、力学上各向异性的限制，因此目前广泛使用的工程木材料主要是人造板。人造板领域市场规模巨大，我国人造板年产量超过3.25亿立方米，市场规模近万亿元。 传统人造板主要是由含有甲醛的树脂等粘合剂将木屑等生物质原料粘结而成的，粘合剂的使用不仅大大提高了人造板的成本，还会在使用过程中持续释放甲醛等有毒有害气体，严重威胁使用者的身体健康。因此，发展高性能无甲醛绿色环保板材对传统人造板产业的升级发展至关重要。 近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队提出了一种全新的生物质表面纳米化策略，可以利用生物质天然纳米结构，构筑出一种新型的各向同性仿生木材（RGI-wood）该策略巧妙地利用了木屑等生物质中天然的纤维素纳米纤维，将其暴露在木屑颗粒表面，并使其互相交联从而构筑无需任何粘合剂的高性能人造木材，具体构筑过程如下图所示。 RGI-wood制备示意图。（a）天然木屑；（b）表面蚀刻后的木屑颗粒；（c）表面纳米化的木屑（SNWP）的结构；（d）Ca2+和氢键诱导的SNWP的组装过程；（e）通过热压制备RGI-wood。 在这种高性能人造木材中，微米级木屑颗粒暴露出大量纳米尺度的纤维素纤维，这些纳米纤维通过离子键、氢键、范德华力以及物理纠缠等相互作用结合在一起，无需任何粘结剂，即可紧密结合为高强度的致密结构。这种结构具有高达170 MPa的各向同性抗弯强度和约10 GPa的弯曲模量，其力学强度远超天然实木和传统人造板。此外，新型人造木材还显示出优异的断裂韧性、极限抗压强度、硬度、抗冲击性、尺寸稳定性以及优于天然木材的阻燃性。 作为一种全生物基的环保材料，新型人造木材不含任何粘结剂、制备尺寸不受限制，而且具有远超树脂基材料和传统塑料的力学性能，因此具有非常广泛的应用前景，有望在许多应用场景下取代塑料和传统板材。

Tunable Magnetic Response in 2D Materials via Reversible

Intercalation of Paramagnetic Ions

  https://doi.org/10.1002/aelm.201900040

二维材料的独特性质推动了基础研究和先进技术的发展，磁性被广泛地应用于各种二维材料中以实现主动磁响应。然而开发一种普遍的、可控的方法来可逆地磁化大范围的二维材料仍然是一项具有挑战性的工作。本文献中，研究者展示了一种可逆的磁化方法，通过钬离子(Ho³⁺)的脱嵌/插层，对各种二维材料多层膜(从氧化石墨烯到蒙脱石、MXene、二硫化钼)引入主动磁响应。通过简单地控制在钬离子溶液中的浸泡时间，可以将所有二维材料的磁化率提高8到10倍，从而调节磁响应。此外，Ho³⁺诱导的磁响应可以通过在稀酸或离子螯合剂中进行漂洗过程来逆转，恢复其固有的物理化学性质(例如，阻挡性能、导电性、电化学活性)，可以快速逆转磁性响应。与其他纳米材料(如一维纳米材料)相比，由二维材料纳米片堆积而成的多层结构具有各向异性的层间空间，可以使顺磁性金属离子(如Ho³⁺)的嵌入。由于层状结构的存在，二维材料的多层膜结构保证了高负载量的钬离子，从而引起主动磁响应。此外，由于各向异性结构的贡献，插入的钬离子可以沿二维多层膜排列并诱导插层二维材料的磁各向异性。因此，与其他纳米材料相比，二维材料的作用是为顺磁性离子的高负载量和各向异性磁响应提供各向异性的限制空间。除了本文献中的后磁化(即先形成多层膜，然后进行钬离子络合)外，研究者还通过将钬离子与氧化石墨烯纳米片混合来直接磁化氧化石墨烯分散体。虽然由于纳米薄片表面电荷的中和，加入钬离子溶液可以迅速形成氧化石墨烯凝聚体，研究者发现氧化石墨烯凝聚体在水溶液中表现出很强的磁响应，并被永磁体吸引。预计Ho³⁺插层方法可能会扩展到其他纳米材料，从而能够开发制造大面积磁响应二维材料致动器。

Magnetic and optical properties of two-dimensional SnS2nanosheets doped

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.03.247

     制备稳定的高居里温度铁磁性半导体材料是一个重大挑战。研究者通过气-液相化学沉积的方法，合成了不同Ho掺杂浓度(0.71，1.10，1.43，1.59at.%)的SnS2纳米片，并研究了合成样品的光学和磁性。磁性测量结果表明，Ho掺杂的二维SnS2纳米片的室温铁磁性增强，最大铁磁响应值为0.072 emu/g。进一步的第一性原理计算结果表明，Ho掺杂SnS2的铁磁性主要来源于Sn空位和Ho替代。这项工作表明，稀土原子掺杂的二维SnS2纳米薄膜在自旋电子学和光电子学方面具有潜在的应用前景。

Near-Infrared Light-Driven Shape-Morphing of Programmable Anisotropic Hydrogels Enabled by MXene Nanosheets

https://doi.org/10.1002/anie.202014533

柔软，光敏，可编程且具有多种形状变形功能的合成材料已成为开发具有无线可控性和仿生功能的下一代智能机器人的航道。该文报告了通过巧妙设计的MXene纳米单体与热敏水凝胶网络的原位自由基共聚制备的可编程MXene各向异性水凝胶，进而来促动器的近红外（NIR）光驱动变形。发现低电场（很少V mm-1）可以实现MXene纳米片的空间分布，因此将各向异性引入到水凝胶网络中。通过控制ITO电极图案，直流（DC）电场方向和掩模辅助的光聚合反应，开发了可编程各向异性水凝胶致动器。为验证概念，该文演示了含MXene的各向异性水凝胶的近红外光驱动形变，使其具有各种形状，并设计了一种四臂软抓取器，该抓取器可以执行不同的光机械功能，例如抓取，抬起/放下和释放物体连续NIR曝光后，该模式将为可编程和可重新配置的智能执行器的发展提供动力，这些执行器可以在诸如软机器人或机器，生物医学设备等各个领域具有十分大的发展前景。

MXene artificial muscles based on ionically cross-linked Ti3C2Tx electrode for kinetic soft robotics

DOI: 10.1126/scirobotics.aaw7797

现有的离子人工肌肉仍需要技术突破，以实现更快的响应速度，更高的弯曲应变和更长的耐用性。该文报道了一种基于离子交联的Ti3C2Tx与聚（3,4乙二氧基噻吩）-聚（苯乙烯磺酸盐）的MXene人工肌肉，在DC响应中显示超快的上升时间（在1 s内），最大的弯曲应变高达1.37％。极低的输入电压范围（0.1至1 V），高达18,000个周期的97％的长期循环稳定性，显着降低的相位延迟以及高达20 Hz的非常宽的频率带宽以及良好的结构可靠性，在连续电刺激下不会分层。这些人造肌肉被成功地用于制作折纸风格的水仙花机器人，作为可穿戴的胸针，并在蝴蝶上跳舞蝴蝶和树叶作为动感艺术作品。这些成功的演示阐明了基于MXene的软执行器在下一代软机器人设备（包括可穿戴电子设备和动力学艺术品）中的巨大潜力。