问题描述

当前，人工智能、电子信息、航空航天、新能源和生物医药等新兴产业迅猛发展，具有独特性能的柔性材料因其在脑机接口、电子器件、能量存储、诊疗修复等方面的广泛应用前景，成为关键性材料，多功能耦合与杂化是柔性材料满足这些需求和应用的关键所在。然而，简单地将功能基元与柔性基材混合往往会导致材料结构与功能下降，这可归咎于功能位点暴露不完整、接触界面不连续以及杂化产生过程中的热应力或机械应力分布不均等问题。解决这些问题需要从多个尺度系统思考，包括分子尺度的柔性基元设计，纳米尺度的功能基元的精确构筑，微米尺度的相分离等。因此，为使柔性材料的杂化功能超出其基础的单一功能范畴，实现功能涌现，需从复杂系统的角度提出通用策略，形成新的研究范式，从而在功能层次、操作特性、综合性能等方面实现全面提升，以满足新兴产业对兼具优异性能和特殊功能组合柔性材料的迫切需求。

问题背景

具备柔软、可弯曲和可变形特性的柔性功能材料，为诸多领域，包括电子工业、航空航天、新能源和生物医药等，带来了颠覆性的改变。尤其在电子信息及医疗器械领域，已由初期利用聚酰亚胺、聚酯、聚二甲基硅氧烷等传统聚合物制成的柔性传感器、显示屏，发展至现今利用多功能杂化柔性材料制成可穿戴和可植入式电子器件、电子皮肤、疾病诊疗系统甚至脑机接口等，其应用领域和市场需求极大拓展。据英国著名科技市场研究和咨询公司IDTechEx预测，仅柔性电子产业预计在2028年将达到3010亿美元，预示着其长期的高速增长以及巨大的应用及商业潜力。

实现这些应用，需要解决材料设计的一个关键共性问题：柔性材料多功能耦合与杂化的策略与方法。例如，采用聚合物纤维作为柔性基材，通过将具有催化作用的纳米材料引入纤维中，再对杂化纤维进行热压成薄膜，最终得到具有催化功能的柔性膜。在此流程中，既需要选择合适的纤维种类，通过预混或原位生长等方式引入纳米功能材料，同时还需要在热压成膜的过程中保持纤维材料的孔道和强度，以及纳米材料的高催化活性。

如果选择的纤维基材有导电性能，且孔道具有纳米级的有序结构，则可实现纳米材料在限定状态下的协同催化，从而实现微观尺度的多功能耦合与涌现。若将芯片与传感器集成入纤维中，形成互联系统，则能在材料系统层面上促成功能间的协同与新功能涌现。这将极大地推动柔性功能材料的发展。

最新进展（截止问题发布年度）

柔性功能材料由于其应用需求、基础材料和加工工艺的异质性，目前采取的多功能耦合与杂化策略较多。如有机-无机杂化策略:通过将硬质但易破碎的无机硅网络引入具有柔韧性的高分子纳米纤维，依赖跨尺度（包括分子、纳米、微米级）的结构设计，制备出具有高柔韧性和高绝热性的纤维复合气凝胶材料；软-硬协同杂化策略：通过“分子设计-微观结构-宏观性能”多层级全链条设计，发展材料微观三维结构设计调控新方法，获得新一代功能纤维复合材料和智能柔性纤维器件；微-宏观结合策略：通过在纤维骨架上构造宏观孔洞，在碳纳米填料之间构筑微观互联网络，实现以电磁波吸收为主的环氧树脂基电磁屏蔽复合材料的高效制备。面对复杂多样的功能杂化，这些策略还需进一步扩展，同时需要更新、普适性更广的策略对柔性材料制备进行指导。

目前已有策略在实施过程中面临一些主要挑战，包括：（1）多功能杂化需要引入多种功能基元，基元材料功能无法转变为宏观柔性材料功能，且造成材料性能下降；（2）在多功能耦合方面，缺乏相应的理论指导。难点问题包括：（1）通用性强、易于加工、性质稳定，且便于杂化光电磁等多功能的聚合物基体的分子设计和制备；（2）揭示表界面结构与材料性能关系，实现功能基元与柔性基体之间的界面稳定；（3）将材料设计与加工技术有效结合，实现材料的结构功能一体化制备。

重要意义

提出普适性策略，发展多功能耦合杂化驱动的柔性材料设计新方法，揭示材料多功能杂化新原理，扩展柔性多功能材料的应用领域。在此过程中，研究者们需要以系统的视角来思考问题，提出全局的解决方案，并充分利用材料科学、化学、物理、系统科学等多学科的知识去制定策略。该问题的解决将引领材料设计领域的范式转变。

同时，具有多功能的柔性材料将推动人工智能、柔性电子、新能源、精准医疗等新兴领域的发展。在医学领域,可以提供柔性且生物相容的生物传感器和植入设备，实现人造器官对生理器官的替代。在电子信息领域，可实现超薄、可弯曲的显示屏、触摸屏等，从而进一步缩小电子设备的体积，提高移动设备的便携性和可用性。在生命健康领域，柔性设备可被用于制作可穿戴设备，如健康监测系统，从而实时监控个人身体健康状况。在储能领域，柔性材料可为下一代高效、轻型、薄型储能电池提供新的可能，能够服务于电动车及可穿戴电子设备等众多应用。在军事领域，柔性材料的应用可能体现在适应各种环境的装备和通信设备上，有望显著提升士兵的战场生存能力和战斗效率。