浙大賈錚教授課題組《Adv. Funct. Mater.》: 一種兼具力學穩定性與環境穩定性的離子液體凝膠
水凝膠和離子液體凝膠等離子導體是構成軟離子器件（soft ionotronics）的關鍵材料。軟離子器件常需要在空氣環境（含水分）或力學載荷作用下工作，但大部分現有的離子液體凝膠并不兼具環境與力學穩定性：水凝膠和離子液體凝膠中的液體成分（水或離子液體）在力學載荷作用下會從聚合物基體中泄露；部分離子液體凝膠因其離子液體的親水性會從環境中吸水從而導致器件性能的改變。近期，浙江大學曲紹興教授與賈錚教授課題組開發了一種兼具力學及環境穩定性的離子液體凝膠，該離子液體凝膠在高相對濕度的環境中不吸收水分，且在長時間的機械加載過程中基本不損失液體成分。同時，該材料具有較大的斷裂應變(>2000%)，較高的電導率(10?4 - 10?5 S/cm)，較好的斷裂內聚長度（fractocohesive length, 0.51 - 1.03 mm)，以及較寬的工作溫度范圍 (?60 ~ 200 ℃)。
針對現有軟離子導體較少兼具力學穩定性及環境穩定性的問題，浙江大學工程力學系曲紹興教授與賈錚教授課題組研發了一種新型離子液體凝膠，該材料可在潮濕環境與力學載荷長期作用下保持穩定，成果以《Ambiently and Mechanically Stable Ionogels for Soft Ionotronics》為題發表在材料領域知名期刊Advanced Functional Materials上。他們將酯類單體乙二醇甲醚丙烯酸酯（MEA）、丙烯酸異冰片酯（IBA）和離子液體1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽([C2mim][NTf2])混合（如圖1a所示），通過自由基聚合的方法，制備了一種新型的離子液體凝膠。該材料中高分子網絡與離子液體間可形成氫鍵，使得離子液體不易泄露，而該離子液體的疏水性賦予了離子液體凝膠在潮濕環境中的穩定性。該離子液體凝膠的導電率在10?4 - 10?5 S cm?1之間（圖1b），拉伸性超過2000%（圖1c），且具有良好的回彈性（圖1d-e）。
圖1. 新型離子液體凝膠的基本物理性質。
穩定性方面，該新型離子液體凝膠的分解溫度約為200℃（圖2a），在100℃的高溫環境下可以長時間（連續測試時間為5天）保持穩定的重量（圖2b）；該離子液體凝膠還具備較好的抗低溫能力，其玻璃化轉變溫度可低至-60℃（圖2c），因此該材料在低溫（-30℃）下仍表現出良好的彈性行為（圖2d）。為展示材料的環境與力學穩定性，作者對比了該離子液體凝膠和PAAm水凝膠（含8mol/L氯化鋰）在25℃、相對濕度90%環境下的重量變化：長時間暴露在90%的相對濕度下，該離子液體凝膠的重量幾乎沒有變化，相比之下，水凝膠的重量變化可達300%左右；在約4 kPa的壓力作用下，該離子液體凝膠的重量仍幾乎不變，相比之下，水凝膠在同等的條件下會逐漸失去原重量20%-30%的水分。
圖2.新型離子液體凝膠的力學穩定性與環境穩定性。
電學性能方面，該離子液體凝膠在空氣環境中放置24小時后可以保持95%以上的導電率（圖3a-b）；相比之下，未經保護的水凝膠經過24小時則會基本失去導電性（圖3c-d）。該離子液體凝膠的高熱穩定性和抗低溫能力，使得該材料在高溫和低溫(-45℃至100℃)環境下均具導電性（圖3e）。除此之外，該材料的電化學窗口為3.5伏，遠高于基于水凝膠的離子導體的電化學窗口（圖3f）。
圖3.新型離子液體凝膠的電學性能。
力學性能方面，當拉伸應變率在0.07-0.27 s-1之間變化時，該離子液體凝膠的斷裂應變均超過2000%（圖4a）。當共聚物和離子液體的配比在4:1-1:1之間變化時，該離子液體凝膠的楊氏模量在102-20 kPa之間，強度介于752和125 kPa之間（圖4b）；斷裂功和斷裂韌性分別在4.85-0.85 MJ/m3和2350-880 J/m2之間，相應的斷裂內聚長度在0.51-1.03 mm之間(圖4c-d)。除此之外，該材料和玻璃、VHB、金屬及部分共聚物可以形成較強的粘接（圖4e-f）。
圖4. 新型離子液體凝膠的機械性能。
為展示該材料可用于設計軟離子器件， 作者開發了一種集成摩擦納米發電機與電容式傳感器的新型離子皮膚（圖5），該離子皮膚可以將多種外部激勵（壓縮、拉伸、溫度等）同時轉換為電阻、電容、開路電壓和短路電流等多種電學信號。該設計可為未來自供電式離子器件的開發提供技術支撐。
圖5. 基于新型離子液體凝膠的多功能離子皮膚。
浙江大學航空航天學院博士生布熱比·依明為本文第一作者，賈錚教授為本文通訊作者。賈錚(https://person.zju.edu.cn/zhengjia)是國家級青年人才項目入選者，現任職浙江大學航空航天學院工程力學系。研究領域為軟物質與柔性結構力學。迄今為止在國際SCI期刊上發表論文40余篇，其中作為第一作者或通訊作者在Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、PNAS、Nano Letters、ACS Nano、Journal of the Mechanics and Physics of Solids等國際刊物上發表論文20余篇。獲2019年Extreme Mechanics Letters青年學者獎等國際獎項。學術兼職方面，擔任力學國際網絡論壇iMechanica的旗艦欄目Journal Club的主編(2020-2021)、浙江省力學學會固體力學專委會秘書長等職務。賈錚教授課題組現誠招高分子材料及力學背景的博士后，有意者請將個人簡歷（pdf）發送至賈錚教授郵箱zheng.jia@zju.edu.cn，郵件標題請注明“博士后申請+姓名+畢業學校”。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202102773
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