隨著柔性電子技術(shù)的快速發(fā)展，對透明、耐熱、機械強度高的基底材料需求日益增長。然而，現(xiàn)有無色聚酰亞胺材料在性能調(diào)控上仍面臨顯著挑戰(zhàn)，F(xiàn)有分子設計策略（如引入大位阻取代基、氟原子或脂肪環(huán)結(jié)構(gòu)）雖可有效抑制電荷轉(zhuǎn)移復合物（CTC）效應，卻往往以犧牲玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）或增加熱膨脹系數(shù)（CTE）為代價，導致材料難以承受高溫工藝（如濺射、蒸鍍），制約其在折疊顯示、可穿戴設備等高端柔性電子領(lǐng)域的應用。
圖1 含吡啶結(jié)構(gòu)的新型二胺單體、聚酰亞胺以及無色聚酰亞胺復合薄膜的制備
近期，華南理工大學前沿軟物質(zhì)學院（華南軟物質(zhì)科學與技術(shù)高等研究院）王林格教授團隊受珍珠母層中有機-無機配位結(jié)構(gòu)增強材料性能啟發(fā)，提出并實現(xiàn)了一種結(jié)合分子工程與金屬配位的新策略，成功開發(fā)出一類兼具高透明性和高穩(wěn)定性的無色聚酰亞胺復合薄膜。研究團隊設計合成了六種含吡啶結(jié)構(gòu)作為配位點的芳香二胺單體（圖1a），與六氟二酐（6FDA）聚合，構(gòu)筑主鏈剛性可調(diào)的無色聚酰亞胺（圖1b）。通過精細調(diào)控取代基的空間位阻和電負性，實現(xiàn)對分子鏈構(gòu)象和CTC形成的有效調(diào)節(jié)，從而調(diào)控無色聚酰亞胺薄膜性能（圖2）。在此基礎(chǔ)上，進一步引入Zn2?構(gòu)建動態(tài)N—Zn—N配位網(wǎng)絡（圖1c）。相關(guān)結(jié)構(gòu)經(jīng)X射線光電子能譜（XPS）、紅外光譜（FTIR）及密度泛函理論（DFT）輔助的靜電勢分布與配位構(gòu)型計算證實，Zn2?可穩(wěn)定配位于吡啶氮原子上（圖3），從而在聚酰亞胺分子之間形成有效的鏈間連接與增強作用。該復合結(jié)構(gòu)賦予材料卓越的性能協(xié)同性，在保持優(yōu)異光學性能的同時，顯著提升了熱力學與機械性能（圖3）。當鋅離子與二胺的摩爾比為0.2比1時，所得復合薄膜達到最佳性能，在保持89.3%的光學透過率前提下，Tg提升至338.5 °C（提升了16.6%），熱膨脹系數(shù)降低至45.8 ppm K?1（降低了20.6%），拉伸強度提高至138 MPa（提升了46.8%）。該高性能CPI復合膜成功應用于多種柔性電子器件：包括快速響應、耐彎折的柔性壓阻傳感器和穩(wěn)定發(fā)光的柔性ACEL器件（圖4）。Zn2?的加入不僅構(gòu)筑仿生配位網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，還兼顧光學均勻性與生物安全性（圖3h），為新一代柔性器件基材設計提供了仿生策略的新范式。該研究以“Nacre-Inspired Coordination Networks for Transparent, Ultra-Stable Polyimide Films in Flexible Electronics”為題，發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊上（Adv. Funct. Mater. 2025, e13521），文章第一作者為華南理工大學前沿軟物質(zhì)學院博士研究生高艷雨。
圖2 六種無色聚酰亞胺薄膜的光學、熱以及機械性能表征
圖3 復合薄膜的Zn2?配位構(gòu)筑機制以及光學、熱學、機械性能表征
圖4 復合薄膜應用于高性能柔性電子器件的結(jié)構(gòu)與功能演示
該工作是團隊近期關(guān)于高性能無色聚酰亞胺薄膜構(gòu)筑的又一重要進展。傳統(tǒng)CPI材料因CTC效應難以兼顧透明性與熱穩(wěn)定性，團隊結(jié)合芳香骨架調(diào)控、側(cè)基電子效應與動態(tài)金屬配位等多重策略，初步打破了性能間的平衡限制。在此前的研究中，團隊已在無色聚酰亞胺材料方面取得一系列成果，包括利用取代基調(diào)控、構(gòu)建不對稱結(jié)構(gòu)、剛性非共平面結(jié)構(gòu)設計等手段，調(diào)控CPI的光學、機械和熱性能（ACS Applied Materials & Interfaces 2024, 16 (36), 48005?48015）。此次研究在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，通過仿生Zn2?配位進一步引入“配位增強理論”，不僅強化了CPI材料的多性能協(xié)同，更實現(xiàn)了器件的集成應用驗證，展示了薄膜的實用潛力。為柔性電子領(lǐng)域高性能基材的設計提供了新路徑。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202513521
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