浙江大學(xué)賈錚《AFM》用于柔性離子電子環(huán)境和機(jī)械穩(wěn)定的離子凝膠

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2021年6月15日 11:49

【科研摘要】

可拉伸的離子導(dǎo)體，如水凝膠和基于離子液體的凝膠（又名離子凝膠），因?yàn)樗鼈兡軌蜷_發(fā)軟離子電子學(xué)而引起了極大的關(guān)注。值得注意的是，軟電離電子設(shè)備不可避免地在潮濕環(huán)境或機(jī)械負(fù)載下運(yùn)行。然而，許多先前報(bào)道的水凝膠和離子凝膠由于親水性在濕度水平不同的環(huán)境中不穩(wěn)定，并且它們的液體成分（即離子液體、水）在機(jī)械負(fù)載下很容易從聚合物基質(zhì)中泄漏，導(dǎo)致設(shè)備性能下降。

浙江大學(xué)賈錚《AFM》用于柔性離子電子環(huán)境和機(jī)械穩(wěn)定的離子凝膠的圖1

最近，浙江大學(xué) 賈錚教授團(tuán)隊(duì) 提出了具有強(qiáng)離子液體保留能力的新型疏水性離子凝膠。離子凝膠在環(huán)境和機(jī)械上是穩(wěn)定的，能夠在相對(duì)濕度較高的環(huán)境中不吸收水分，并且在長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)械負(fù)載下幾乎不會(huì)丟失液體成分。此外，離子凝膠表現(xiàn)出理想的電導(dǎo)率（ 10 ^-4 -10 ^-5 S cm ^-1 ）、大斷裂應(yīng)變（> 2000%）、中等壓裂長(zhǎng)度（0.51-1.03 mm）和寬工作溫度范圍（-60 至 200 ℃）。通過整合感覺人造皮膚和摩擦納米發(fā)電機(jī)的概念，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種離子皮膚，可以將多種刺激轉(zhuǎn)換為各種類型的信號(hào)，包括電阻、電容、短路電流和開路電壓。這項(xiàng)工作可能為開發(fā)性能穩(wěn)定的軟離子電子學(xué)開辟新的途徑。相關(guān)論文以題為 Ambiently and Mechanically Stable Ionogels for Soft Ionotronics 發(fā)表在《 A dvanced Functional Materials 》上。

【主圖導(dǎo)讀】

浙江大學(xué)賈錚《AFM》用于柔性離子電子環(huán)境和機(jī)械穩(wěn)定的離子凝膠的圖2

圖1 離子凝膠的合成和物理性質(zhì)。

浙江大學(xué)賈錚《AFM》用于柔性離子電子環(huán)境和機(jī)械穩(wěn)定的離子凝膠的圖3

圖2 離子凝膠的穩(wěn)定性。

浙江大學(xué)賈錚《AFM》用于柔性離子電子環(huán)境和機(jī)械穩(wěn)定的離子凝膠的圖4

圖3 離子凝膠的穩(wěn)定電性能。

浙江大學(xué)賈錚《AFM》用于柔性離子電子環(huán)境和機(jī)械穩(wěn)定的離子凝膠的圖5

圖4 離子凝膠的機(jī)械性能。

浙江大學(xué)賈錚《AFM》用于柔性離子電子環(huán)境和機(jī)械穩(wěn)定的離子凝膠的圖6

圖5 一種具有多模態(tài)感覺能力的新型離子皮膚。

【總結(jié)】

團(tuán)隊(duì)通過使用高度可拉伸的共聚物網(wǎng)絡(luò) P(MEA-co-IBA) 和疏水性 IL [C2mim][NTf2] 合成了一種在環(huán)境和機(jī)械上均穩(wěn)定的新型離子凝膠。由于共聚物基質(zhì)和離子液體的疏水性，所設(shè)計(jì)的離子凝膠在濕度變化的潮濕環(huán)境中不會(huì)吸收水分，并且即使在較長(zhǎng)時(shí)間施加機(jī)械載荷時(shí)也幾乎不會(huì)發(fā)生離子液體泄漏，這主要是由于氫離子和聚合物鏈之間形成的鍵將 IL 鎖定在共聚物基質(zhì)中。從這個(gè)意義上講，一般設(shè)計(jì)原則可以總結(jié)如下： 1）使用長(zhǎng)鏈彈性體網(wǎng)絡(luò)和疏水性離子液體賦予離子凝膠良好的機(jī)械性能和環(huán)境穩(wěn)定性。 2）利用彈性體網(wǎng)絡(luò)和離子液體之間的分子相互作用（例如氫鍵）將液體組分鎖定在彈性體基質(zhì)中，賦予離子凝膠機(jī)械穩(wěn)定性。團(tuán)隊(duì)相信這里揭示的設(shè)計(jì)原則可以推廣到其他材料系統(tǒng)，用于設(shè)計(jì)環(huán)境穩(wěn)定和機(jī)械穩(wěn)定的離子凝膠。此外，團(tuán)隊(duì)首次研究了基于 IL 的凝膠的缺陷不敏感性：隨著離子凝膠的平均網(wǎng)孔尺寸隨著 IL 含量的增加而增加，離子凝膠的壓裂內(nèi)聚長(zhǎng)度從 0.51 增加到 1.03 毫米。這些值與彈性體和水凝膠報(bào)告的值相當(dāng)。通過使用離子凝膠進(jìn)一步開發(fā)了一種新型離子皮膚，它將 TENG 與電容性離子皮膚相結(jié)合，因此可以感知各種刺激——包括拉伸、壓力、和溫度——通過將它們轉(zhuǎn)換為電阻、電容、 OCV 和 SCC 信號(hào)。OCV 和 SCC 信號(hào)是自生的，賦予離子皮膚能量收集能力。這項(xiàng)工作中報(bào)道的離子凝膠可能會(huì)導(dǎo)致軟離子電子學(xué)和性能穩(wěn)定的可穿戴設(shè)備的發(fā)展。

參考文獻(xiàn) ：

doi.org/10.1002/adfm.202102773

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