柔性热管理器件，特别是电热管理器件能够通过焦耳效应将电能转换成热能，以实现快速的升温和高精度的温度控制，在热疗、除雾、除冰等领域有广泛应用。碳材料是构建电热管理器件的有效材料，然而，它们单调的黑色很难满足人们日益增长的审美需求。在此基础上，引入结构色光子晶体和vitrimer玻璃体弹性体，将为热管理设备提供既清洁环保可控又动态变化的颜色，特别是，vitrimer弹性体的动态共价键将进一步赋予热管理器件自修复性能，使其能够在损坏后进行结构和功能恢复，延长使用寿命，降低材料成本并减少环境资源的浪费。
基于上述理念，最近通过设计合成了一系列具有动态二硫键的vitrimer弹性体，并与PS@SiO2三维光子晶体结构结合形成光子晶体vitrimer材料，然后，光子vitrimer半嵌入碳纳米管薄膜后与蓝牙模块和控制芯片集成，设计出一种具有力致变色柔性无线热管理（MFW）器件。该器件具有快速的热响应、精准的温度控制、高效的电加热性能和低驱动电压，可通过调节上下限温度，使MFW器件处于人体舒适范围内。相关研究以“Mechanochromic Photonic Vitrimer Thermal Management Device Based on Dynamic Covalent Bond”发表于《Adv. Funct. Mater.》上。论文第一作者为大连理工大学硕士生官媛，大连理工大学牛文斌教授为通讯作者。
图1.PGDI Vitrimer弹性体的合成
Vitrimer弹性体中的动态共价二硫键和氨基甲酸酯键，为vitrimer网络提供了再加工和重塑的能力，在聚合物网络被破坏时，可以通过动态共价键间的交换，实现自愈合，恢复力学性能。利用vitrimer弹性体的优点，将vitrimer嵌入PS@SiO2蛋白石光子晶体中制备了光子vitrimer，光子vitrimer展现了明亮的结构色，出色的力致变色稳定性、抗蠕变性和耐久性。
图2.光子vitrimer的性能
碳纳米管薄膜轻薄、柔软，具有优异的电热转换特性，是可穿戴加热的理想材料。通过将碳纳米管薄膜集成到预拉伸的光子vitrimer上，缓慢收缩使碳纳米管薄膜呈褶皱状，具有较高的拉伸能力。由于其优异的电热转换特性，碳纳米管膜在连接到电源时产生热量，从而实现主动加热。最终得到的光子vitrimer-碳纳米管薄膜表现出明亮的结构色、力致变色能力、高拉伸性、快速的热响应、低驱动电压。
图3.可加热/拉伸的力致变色光子vitrimer
基于上述高效稳定的电热性能，将光子vitrimer-碳纳米管薄膜与蓝牙模块和控制芯片集成，制备了力致变色柔性无线热管理（MFW）器件。MFW器件具有快速的热响应、优异的力致变色性能、精准的温度控制、高效的电加热性能和低驱动电压（3V时饱和温度为103℃）。而且在被切割自愈合后仍保持其电热性能（105℃，3V）。值得注意的是，当样品被拉伸时，该装置保持了良好的电热性能，在机械变形条件下（6%、14%、17%、28%、34%）运行时电加热性能稳定。
除此之外，MFW器件可使用智能手机进行精准的温度控制。当测温探头感知到温度低于设定温度下限时，MFW器件自动升温，指示红灯亮。当感知到温度高于温度上限时，MFW器件自动断电，指示红灯熄灭。通过调节温度上限和下限，可使MFW器件温度保持在人体的舒适范围内，可用于个人供暖、热疗和缓解关节疼痛等方面。
图4.自愈合光子vitrimer热管理器件