聂双喜教授最新AM：一种坚固的摩擦电生物塑料

电子废弃物对全球环境和人类健康的威胁日益严峻，引起了特别关注。可持续和可降解材料合成的摩擦电设备是一种有前途的电子替代品，但在实际应用中仍未解决聚合物基材与电极的界面机械失配问题。

为了解决这个问题，近日王双飞院士团队聂双喜教授课题组利用巯基硅烷反应以及动态共价化学中醇-醚交换反应的化学选择性和位点特异性，制备了一种高韧性、可降解的单片集成式摩擦电生物塑料。通过共价键适应界面相互作用的方式耗散应力，实现了绿色电子材料中聚合物介电层与导电层良好的界面结合。该项成果以题为“A Tough Monolithic Integrated Triboelectric Bioplastic Enabled by Dynamic Covalent Chemistry”发表在最新一期学术期刊《Advanced Materials》（IF=29.4）上。

这种聚合物基材与导电层界面互锁的单片集成式摩擦电生物塑料，其制备过程主要涉及聚合物表面微结构构筑以及两个化学反应过程，包括：聚合物表面巯基硅烷化和硫醇-二硫醚交换反应。表面微结构构筑是将再生纤维素（RC）置于定制的具有微光栅结构的模具中，通过热压脱水制成。聚合物表面巯基硅烷化是通过（3-巯基丙基）三甲氧基硅烷（MPTMS）向具有表面微结构的RC进行化学接枝，得到巯基硅烷化的再生纤维素（RC-MPTMS）。为了完成硫醇-二硫键的交换反应，首先将牛血清白蛋白（BSA）和碳纳米管（CNT）复合得到杂化的导电油墨（BSA/CNT）。然后将其涂覆在RC-MPTMS表面。最后脱水干燥完成硫醇-二硫键的共价交换反应。

RC-MPTMS与BSA/CNT界面间硫醇-二硫键的交换反应是利用了MPTMS中硫醇易于产生反应性硫中心阳离子、阴离子或自由基中间体，以及BSA中两个Cys间易于氧化形成二硫键的特性。涂覆过程使BSA/CNT中原二硫键体系引入了RC-MPTMS表面的硫醇，硫醇中亲核硫代酸酯攻击BSA/CNT中原二硫键体系，并在RC-MPTMS与BSA/CNT界面间形成新的二硫键体系，促使聚合物基材与导电层界面结合。

高力学性能源于摩擦电生物塑料聚合介电层与导电层界面多种相互作用的共同结果。表面微观结构为化学键提供了更多的活性作用位点。动态二硫化物键起主要作用，承担和耗散大部分由加载和拉伸产生的应力。丰富的氢键则作为牺牲键，通过断裂和重组以耗散能量和抵抗残余应力。

图1. 单片集成式摩擦电生物塑料的设计策略及性能示意图。

图2. 摩擦电生物塑料的分析与表征

图3. 摩擦电生物塑料的力学性能和界面黏附性能

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202311993