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自修复导线在结构损坏后可以恢复力学和电学性能，有望助力可穿戴设备的集成和应用。然而，当前自修复导线在弯曲、拉伸和抖动等动态工况下，电阻波动剧烈，极大影响了可穿戴设备的连续、精准监测。这些问题源于自修复导线结构和导电组分之间较弱的相互作用。
针对上述挑战，上海交通大学变革性分子前沿科学中心孙浩团队借鉴有髓轴突中轴突和髓鞘之间的氢键和范德华力相互作用，增强了自修复导线结构和导电组分单元之间的界面相互作用，构建了具有高动态稳定性的自修复导线。其结构和导电组分间基于氢键和配位键产生的力电耦合效应，显著改善了导线在动态环境下的电学稳定性，为发展高动态稳定电极材料提供了新思路。相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review，NSR）。上海交通大学博士生王硕和欧阳兆锋为共同第一作者，通讯作者为孙浩副教授。
研究团队利用超分子化学调控了分子链氢键结构作为硬段畴，聚己二酸丁二醇作为软段桥接硬段畴，提高了自修复聚合物（self-healable polymer，简称SHP）的机械性能。优化后的SHP和镓铟锡液态金属（liquid metal，简称LM）分别作为结构和导电组分，构建了核壳结构的动态稳定自修复导线（LM/SHP）。其优异力学性能（35–73 MPa）与常用的纺织纤维（28–74 MPa）实现了理想力学匹配。更为重要的是，分子链中硬段畴诱导了与液态金属的强相互作用，形成的力电耦合效应使LM/SHP导线在200%和500%的高应变条件下的电阻分别仅增加0.1和0.7欧姆。
图1. 受有髓轴突启发的高动态稳定性自修复导线。
由于SHP外壳中氢键和酰基胺基脲基团的动态可逆性，LM/SHP导线在完全断裂和修复后，拉伸强度可达54 MPa。融合的LM内核则有效重构了导电通路，使电阻几乎恢复到初始水平。LM/SHP导线比其他液态金属基纤维具有更高的拉伸强度（73 MPa）和较高的电子电导率（9.8 × 104 S m–1），使其成为可穿戴电子应用的有力竞争者。
研究团队发现即使SHP拉伸到400%的高应变下，LM液滴也能同时延展，且在应力撤销后两者同时恢复到原来的形状，说明LM与SHP之间存在强相互作用。进一步利用X射线光电子能谱、傅里叶红外光谱和拉曼光谱研究发现N–H（在SHP中）和Ga2O3层（LM表面）之间的氢键，以及C=O、N–H基团（在SHP中）和Ga阳离子（在LM中）之间的配位键构成了实现力电耦合效应的化学基础，显著增强了结构和导电组分之间的界面相互作用，这保证了LM/SHP导线在高应变和动态环境下也能维持稳定的电学性能。
图2. 导线的自修复性能以及力电耦合效应机理研究。
基于LM/SHP导线优异的力学、电学以及动态稳定性，研究团队搭建了一个集成化的健康监测平台。LM/SHP导线在锤击、按压和拉伸等动态工况下实现了3–4%的低电阻变化，确保了集成设备的精确和连续监测。获得的生理信息可以实时传送给医生进行远程诊疗。LM/SHP导线断裂和愈合后，温度传感器仍能正常工作，提高了健康监测平台的使用寿命和可靠性。同时在模拟帕金森病引起的手部抖动状况下，实现了对招手信号的精确监测，信噪比（SNR）高达1.19。而LM/PDMS和LM/PU导线连接的应变传感器在相同条件下信号波动明显，信噪比仅为0.28–0.32。上述结果证明LM/SHP导线具有优异的动态稳定性，保证了可穿戴集成设备在实际应用中的可靠运行。
图3. 高动态稳定性自修复导线的可穿戴应用。
综上所述，该工作基于结构和导电组分间氢键和配位键产生的力电耦合效应，构建了具有高动态稳定性的自修复导线，在动态工况下实现了优异的力学和电学稳定性，显著提升了自修复导线的实际应用潜力。该工作提出的力电耦合效应有望为发展高动态稳定性的电极材料和器件提供有益的启发和借鉴。
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