浙江大学贾铮《AFM》用于柔性离子电子环境和机械稳定的离子凝胶

非金非土非木 2021年6月15日浏览：1753

【科研摘要】

可拉伸的离子导体，如水凝胶和基于离子液体的凝胶（又名离子凝胶），因为它们能够开发软离子电子学而引起了极大的关注。值得注意的是，软电离电子设备不可避免地在潮湿环境或机械负载下运行。然而，许多先前报道的水凝胶和离子凝胶由于亲水性在湿度水平不同的环境中不稳定，并且它们的液体成分（即离子液体、水）在机械负载下很容易从聚合物基质中泄漏，导致设备性能下降。

最近，浙江大学贾铮教授团队提出了具有强离子液体保留能力的新型疏水性离子凝胶。离子凝胶在环境和机械上是稳定的，能够在相对湿度较高的环境中不吸收水分，并且在长时间的机械负载下几乎不会丢失液体成分。此外，离子凝胶表现出理想的电导率（ 10 ^-4 -10 ^-5 S cm ^-1 ）、大断裂应变（> 2000%）、中等压裂长度（0.51-1.03 mm）和宽工作温度范围（-60 至 200 ℃）。通过整合感觉人造皮肤和摩擦纳米发电机的概念，进一步设计了一种离子皮肤，可以将多种刺激转换为各种类型的信号，包括电阻、电容、短路电流和开路电压。这项工作可能为开发性能稳定的软离子电子学开辟新的途径。相关论文以题为 Ambiently and Mechanically Stable Ionogels for Soft Ionotronics 发表在《 A dvanced Functional Materials 》上。

【主图导读】

图1 离子凝胶的合成和物理性质。

图2 离子凝胶的稳定性。

图3 离子凝胶的稳定电性能。

图4 离子凝胶的机械性能。

图5 一种具有多模态感觉能力的新型离子皮肤。

【总结】

团队通过使用高度可拉伸的共聚物网络 P(MEA-co-IBA) 和疏水性 IL [C2mim][NTf2] 合成了一种在环境和机械上均稳定的新型离子凝胶。由于共聚物基质和离子液体的疏水性，所设计的离子凝胶在湿度变化的潮湿环境中不会吸收水分，并且即使在较长时间施加机械载荷时也几乎不会发生离子液体泄漏，这主要是由于氢离子和聚合物链之间形成的键将 IL 锁定在共聚物基质中。从这个意义上讲，一般设计原则可以总结如下： 1）使用长链弹性体网络和疏水性离子液体赋予离子凝胶良好的机械性能和环境稳定性。 2）利用弹性体网络和离子液体之间的分子相互作用（例如氢键）将液体组分锁定在弹性体基质中，赋予离子凝胶机械稳定性。团队相信这里揭示的设计原则可以推广到其他材料系统，用于设计环境稳定和机械稳定的离子凝胶。此外，团队首次研究了基于 IL 的凝胶的缺陷不敏感性：随着离子凝胶的平均网孔尺寸随着 IL 含量的增加而增加，离子凝胶的压裂内聚长度从 0.51 增加到 1.03 毫米。这些值与弹性体和水凝胶报告的值相当。通过使用离子凝胶进一步开发了一种新型离子皮肤，它将 TENG 与电容性离子皮肤相结合，因此可以感知各种刺激——包括拉伸、压力、和温度——通过将它们转换为电阻、电容、 OCV 和 SCC 信号。OCV 和 SCC 信号是自生的，赋予离子皮肤能量收集能力。这项工作中报道的离子凝胶可能会导致软离子电子学和性能稳定的可穿戴设备的发展。

参考文献：

doi.org/10.1002/adfm.202102773