随着科学技术的发展和电子消费品的广泛应用，越来越多的电子器件向小型化、柔性化、可折叠的趋势发展。然而，柔性化器件的电子电路运行过程中不可避免的会遇到磨损、疲劳、断路等问题，这也是大部分电子设备发生故障的主要原因。因此，科学家们开始研制能够实现自我修复的材料或电子设备，当电路断开时，可以在特定的条件下，例如温度、压力、湿度等，使自修复材料发挥作用，从而实现自动修复柔性电路的损伤并恢复其关键功能。
目前常用的电路自修复材料包括贵金属、有机碳材料、酸碱溶液等，上述材料在应用过程中，往往涉及到成本较高、溶剂挥发、设备腐蚀、环境污染等问题，因此，制约了自修复材料的实际应用。微胶囊技术是一种可实现流体固态化的技术，可将功能材料或溶液作为芯材进行包埋，在特定的条件下，实现芯材缓释或完全释放，从而发挥芯材的作用。因此，考虑采用导电水溶液作为芯材，制备一种可用于电路恢复的自修复微胶囊，将会对电子设备性能修复具有重要的意义。通过采用施加压力或升高温度的方法，使微胶囊壁材破裂、芯材释放，从而实现电路导通，同时由于芯材为水溶液体系，具有环境友好、绿色可持续的优点，未来在柔性电子产品的自动修复过程中将会发挥巨大的作用。
近日，北京印刷学院孙志成团队开发了一系列包埋水溶液作为芯材的自修复微胶囊产品并将其应用于电路修复过程，取得了良好效果。该研究采用廉价、无毒、无污染的液体石蜡、水溶液作为连续相和分散相，通过原位聚合的方法成功制备了以蜜胺树脂为壳层和以水溶液作为芯材的自修复微胶囊。微胶囊粒径10~20微米，可承受14牛顿的压力，具有良好的相变潜热和热力学性能。当进行电路修复时，对断路部位的微胶囊施加压力，即可使其释放芯材导通电路，电导率为6.232 ms/cm。
图2. 微胶囊修复电路过程，a)-e) 微胶囊包埋的芯材分别为：PEDOT：PSS水溶液（MC1)，石墨烯分散液（MC2)，Fe3O4分散液（MC2)，离子水（MC4)，去离子水（MC5)；f) 电路修复原理图
这项研究工作以水溶液为芯材，通过油包水的方式制备得到具有缓释效果的自修复微胶囊，避免了贵金属和酸碱溶液体系在修复过程中存在的问题，具有环境友好、绿色无污染的特点。通过施加压力，即可促使微胶囊破裂释放芯材，实现电子设备电路的修复和功能恢复。未来，将自修复微胶囊与导电油墨、导电浆料进行结合，将会在柔性电子器件或人造电子皮肤等领域发挥巨大的作用。
这项研究成果近期发表在英国皇家化学会的旗舰期刊Green Chemistry 上。北京印刷学院研究生李芙蓉、焦守政为论文的共同第一作者，北京印刷学院孙志成教授、海南大学周阳副教授为论文的共同通讯作者。
Self-repairing microcapsules with aqueous solutions as core materials for conductive applications
Furong Li, Shouzheng Jiao, Zhicheng Sun*, Yuanyuan Liu, Qingqing Zhang, Jinyue Wen, Yang Zhou*
Green Chem., 2020, DOI: 10.1039/D0GC03576A
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