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    東華大學武培怡教授《Nat.Commun.》:大形變下離子傳導率穩定的彈性體設計
    2019-08-01  來源:中國聚合物網

      柔性可拉伸的導體材料,可以幫助生命體與非生命體之間實現更好的交流溝通。目前設計柔性可拉伸導體主要有兩種思路,其一是改性共軛導電聚合物,引入柔性嵌段或添加增塑劑改變聚合物形貌,但是由于材料內部柔性和剛性組分的分子協同性差,這樣實現的可拉伸性能非常有限,不均勻結構還會導致材料強度的大幅下降,難以滿足未來柔性機器人中發生大幅形變的應用。其二則是將電活性組分摻入柔性基體中,常用的是電子導體填料,包括無機粒子、剛性共軛聚合物、以及液態金屬等;同時,為了賦予復合材料的導電性,需要添加大量的電活性組分直到形成導電逾滲網絡,然而它們與非極性的柔性聚合物基體在本質上并不相容,這些電活性組分往往會在基體中形成較大尺寸聚集體(100 nm甚至更大尺寸),導致材料透明度下降,并且進一步限制了在變形過程中導電填料聚集體的適應性運動,還會導致電子導體材料變形后導電網絡不可逆的退化。近年來也有報道提出用離子電解質作為電活性組分,包括離子液體和無機鹽等,其本質是作為大量的溶劑化組分鎖定在單網絡或雙網絡聚合物凝膠中,或者作為導電流體封裝在基體的微流道中,賦予絕緣聚合物以離子傳導功能。相比于電子導電填料,離子電解質由于尺寸在分子級別,在聚合物基體中分散性更好,材料變形時適應性的運動能力更佳,因此更有利于制備更高斷裂伸長率的本征可拉伸導體,但是目前所用的聚合物基體大多與離子電解質的分子結構有較大差異,它們在分子尺度上往往也是不相容的,這就導致目前的離子導體材料的可變形能力仍然有限、加工難度高,并且存在大量電解質在擠壓后泄露的潛在風險。

      為了打破柔性可拉伸導體材料的力學性能局限,兼顧變形和極端溫度環境中的穩定導電性,需要實現電活性組分與聚合物基體在分子尺度上的相容性差。本工作提出分子協同的設計思路,在動態可逆交聯網絡中構筑具有分子協同效應的導電納米通道,這樣不僅可以實現高強度交聯網絡的可重構性,還可以有效保障大變形時的導電通路的連續性,從而制備出可以經歷大幅拉伸、具有較高強度乃至自修復性能的本征柔性可拉伸導體材料。

      此前,武培怡教授課題組報道了通過調節丙烯酸和兩性離子共聚物之間的三種分子間非共價相互作用 (氫鍵、疏水作用、離子相互作用),實現了對水凝膠力學性質的廣譜可調,集合了一系列優異的力學性質:包括壓縮回彈性,可大幅拉伸,可自修復,可在室溫下的任意塑形,并通過電阻和電容的兩種電信號,可以同時感知外界應力應變和溫度的刺激,實現了仿生人體皮膚的力學性質和感知功能的拓展(Nat. Commun. 2018, 9, 1134);而進一步引入α-甲基,則可以實現對具有相同共聚單體結構的水凝膠相變行為從UCST(Utmost Critical Solution Temperature)到LCST(Lowest Critical Solution Temperature)的廣泛調節,基于此構筑的仿生水凝膠皮膚不僅具有多重電信號感知效果,還可以實現可調節的溫度-光學響應效果(ACS Nano, 2018, 12, 12, 12860-12868)。

      本工作中,武培怡教授課題組同樣以丙烯酸和兩性離子共聚物為例,選擇結構匹配的離子液體,通過帶電荷基團之間的離子協同效應構筑了導電納米通道,通過氫鍵作用實現了導電通道和動態交聯網絡之間的協同效應, 所制備的樣品超越了目前本征可拉伸導體材料透明性好、可拉伸性能突出(>10000%)。相關工作“A highly transparent and ultra-stretchable conductor with stable conductivity during large deformation”發表在Nature Communications。

    圖1. 分子協同的設計機理以及宏觀力學、微觀結構、分子間相互作用表征。

      這種本征可拉伸導體的富離子特征可以提供足夠的離子作為載流子進行電信號的傳輸,其離子電導率在變形狀態和高低溫環境條件下非常穩定。

    圖2. 離子導體變形和高低溫下的離子電導率穩定性。

      基于這種可3D打印直書寫加工的離子導體,結合多層結構的設計,可以發展出一種透明、本征可拉伸的集成化感知系統。

    圖3. 離子導體所構筑的集成化透明感知系統,可感知應變、應力、溫度和濕度刺激。

      基于離子導體的3D打印陣列,還可以實現一種可以分辨不同液體分子的仿生皮膚。根據不同液體分子的不同極性、揮發性以及對介電層的潤濕性不同,仿生皮膚可以有效分辨多種液體分子。其中,液體分子的極性決定了電容的增量,而揮發性性和潤濕性則與電容增量的持續時間有關。

    圖4. 離子導體所構筑的仿生皮膚可識別不同液體。

      該工作提出了柔性可拉伸導體材料中分子協同效應的設計思路,構筑了導電納米通道以及實現了它與交聯網絡之間更好的相容性。材料具有優異的力學性質以及在拉伸擠壓變形和高低溫動態環境中的穩定性,所構筑的仿生智能皮膚實現了多種感知功能,包括對應力、應變、溫度和濕度的感知,甚至還超越了天然皮膚的感知功能,可以識別出不同的液體分子。

      文章第一作者為雷周玥,通訊作者為武培怡教授。該課題得到了國家自然科學基金重點項目 (51733003) 和國家自然科學基金面上項目 (21674025) 的資助與支持。

      論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-11364-w

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    (責任編輯:xu)
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