第一作者：周伟通信联系人：肖鹏,陈涛单位：中国科学院宁波材料所

创新点

     本研究提出了一种全新的柔性机械传感器性能调控策略：通过引入具有温度响应相变行为的弹性体材料，实现传感性能的“后调控”。不同于传统只能在器件制造阶段预设性能的方式，该研究开发的基于石墨烯和相变弹性体构建的GPTE（Graphene-based Phase-Transition Elastomeric）膜，在接近28.5 °C的温度区间可实现弹性模量从1.65 MPa到12.27 MPa的可逆切换，展现出优异的温控可调性能。这一动态可调的传感膜被设计为悬浮式结构，能够在相变温度前后对三维形变表现出高达3.5倍的响应灵敏度变化。研究还展示了GPTE悬浮薄膜对冷/热水滴落过程的精确识别能力，展示了其在智能感知、热失控预警等方面的广阔应用前景。

文章背景

柔性传感器作为人机交互、智能可穿戴设备、软体机器人等领域的重要基础，其响应灵敏度与环境适应性一直是研究的重点与难点。传统方法大多通过调控感应材料的组成或结构设计，在器件制备阶段就“预设”传感性能，但这也意味着传感器一旦制造完成，其性能便难以根据实际环境灵活调整。

文章概述

     针对这一瓶颈，中国科学院宁波材料所陈涛研究员团队提出了一种相变弹性体介导的传感性能后调策略。研究团队将十八烷基丙烯酸酯（SA）和十四烷基丙烯酸酯（TA）共聚物与石墨烯薄膜非对称结合，通过水/空气界面限域光聚合制备了GPTE薄膜（图1）。利用丙烯酸烷基酯相变网络在25.5–36 °C范围内的结晶–熔融转变行为，实现传感膜力学性能的动态切换，进而实现悬浮感知性能的动态调控。

图1 GPTE薄膜的制备与结构设计. (a) 石墨烯纳米片与光聚合前驱体的化学结构; (b) 水/空气界面限域光聚合构建GPTE薄膜的流程

文章表征了GPTE薄膜的微观结构和温度依赖的宏观形变行为（图2）。得益于界面非对称复合策略，石墨烯纳米片部分嵌入到相变弹性体基质中，确保了GPTE薄膜优异的导电性和机械稳定性。随着温度升高，GPTE薄膜逐渐变软，从最初能够支撑单个10 g的砝码到最终被压缩发生明显形变。移除热源后，GPTE薄膜的形变得到保留并在重新升温后恢复到初始平坦状态，体现了温度响应的可逆宏观形变行为。

图2 GPTE薄膜的微观结构和温度触发的可逆形变行为. (a-d) GPTE薄膜中石墨烯层和弹性体层的微观结构表征; (e) 温度触发的薄膜可逆形变行为展示

文章研究了GPTE薄膜的相变行为以及动态力学性能（图3）。GPTE薄膜在相变温度附近表现出显著的机械性能突变：低于28.5°C时，SA/TA侧链结晶形成物理交联区域，薄膜呈刚性（模量12.27 MPa）；温度升高后，结晶区熔融，聚合物链运动性增强，薄膜软化（模量1.65 MPa）。流变和拉伸测试验证了这一可逆切换行为。

图3  GPTE薄膜的相变特性与机械性能. (a) DSC曲线显示相变温度（28.5 °C）; (b) 动态流变测试中储能模量突变; (c) 相变前后的拉伸应力-应变曲线; (d) 温度触发的软硬状态转换; e 相转变机理

文章最后系统研究了GPTE薄膜可调的悬浮感知性能（图4）。通过将GPTE薄膜组装成悬浮传感器件，其表现出了温度依赖的三维形变检测能力。当温度低于相变点时，薄膜刚性增强，垂直形变受限，石墨烯纳米片分离程度低，电阻变化微弱；温度升高后，薄膜变软并促进三维形变，石墨烯纳米片分离加剧，传感灵敏度提升3.5倍。实验进一步证明，该传感器可有效区分冷（25°C）和热（75°C）的水滴的动态冲击过程：冷水滴需要500 mg载荷才能触发信号，而热水滴仅需5 mg即可响应，检测极限相差10倍。

图4 GPTE悬浮薄膜的动态感知性能. (a-c) GPTE悬浮传感器件在相转变前后对三维形变的可调感知; (d-f) GPTE悬浮薄膜对热水和冷水的可分辨检测。

     该研究论文为“Polymers at Interface”专题特约稿件，即将发表在Chinese Journal of Polymer Science上。周伟博士是该论文的第一作者，肖鹏研究员和陈涛研究员为共同通讯作者。

原文信息：

Chinese J. Polym. Sci. https://doi.org/10.1007/s10118-025-3314-x