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  導(dǎo)電凝膠在柔性電子器件方面表現(xiàn)出良好的潛在應(yīng)用價(jià)值，因而受到了人們的廣泛關(guān)注。通常，以水為溶劑的導(dǎo)電水凝膠低溫時(shí)，易結(jié)冰；高溫時(shí)，易失水；此外，水電解質(zhì)對金屬電極具有化學(xué)腐蝕性，這些都不利于器件的安全使用。雖然可用有機(jī)溶劑代替水來制備有機(jī)凝膠以解決水溶劑的結(jié)冰失水問題，但有機(jī)溶劑的易燃性又帶來了新的安全問題。然而，由離子液體和聚合物網(wǎng)絡(luò)組成的離子凝膠（Ionogels）因其高離子電導(dǎo)率，非揮發(fā)性，高熱穩(wěn)定性和（電）化學(xué)穩(wěn)定性、不燃性等獨(dú)特特性，使其可作為一種安全的凝膠導(dǎo)體材料。但是目前大多數(shù)現(xiàn)有離子凝膠的力學(xué)性能較差，例如拉伸性小、韌性低等；并且有些離子凝膠在各種環(huán)境中不穩(wěn)定，例如在潮濕環(huán)境中發(fā)生吸濕。因此，如何設(shè)計(jì)和制備出機(jī)械強(qiáng)度高的穩(wěn)定透明離子凝膠仍是一大難題。

  針對上述問題，江雷院士團(tuán)隊(duì)通過彈性體和離子液體之間的氫鍵鍵合，制備了一類新型高透明、高強(qiáng)度和超穩(wěn)定的離子凝膠。研究發(fā)現(xiàn)：聚（丙烯酸乙酯）（PEA）彈性體與雙（三氟甲基磺酰基）酰亞胺（[NTf₂]）類離子液體之間具有良好的相容性，且[NTf₂]陰離子與彈性體之間存在強(qiáng)氫鍵作用。該疏水的離子凝膠顯示出超高拉伸性（~ 5000％）、高光學(xué)透明性（平均透射率，可見光95％）和超高韌性（~ 4.7 kJ m^-2）（如圖1所示）。此外，該離子凝膠具有高熱穩(wěn)定性、高電壓穩(wěn)定性、空氣穩(wěn)定性、耐濕性、強(qiáng)自粘性以及對金屬電極的不腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。得益于該離子凝膠的優(yōu)異機(jī)械性能和超高穩(wěn)定性，基于該離子凝膠的傳感器可實(shí)現(xiàn)在高真空（6×10^-4Pa）、低溫（-70℃）、高溫（100℃）以及99％的相對濕度等惡劣環(huán)境條件下的正常運(yùn)行。更重要的是，鑒于離子液體和聚合物的多樣性，這里基于氫鍵作用制備高性能離子凝膠的策略可擴(kuò)展到設(shè)計(jì)和制備新一代多功能性（如自愈性、自增強(qiáng)、發(fā)光性及響應(yīng)性等）高機(jī)械強(qiáng)度離子凝膠，而這將極大的拓寬可拉伸透明電子器件的領(lǐng)域。

圖1 基于氫鍵作用的高強(qiáng)度、超穩(wěn)定的透明離子凝膠。a）[NTf₂]陰離子與PEA彈性體之間的氫鍵作用示意圖；b）一個(gè)厚度為0.34 mm的離子凝膠在可見光范圍內(nèi)（波長400~800 nm）的透射率；c）離子凝膠在-70℃ ~ 100℃范圍內(nèi)的離子電導(dǎo)率；d）拉伸速率為10 mm min-1時(shí)，離子凝膠的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線；e）離子凝膠可以承受打結(jié)且高拉伸等機(jī)械變形。

  以上研究成果發(fā)表在Materials Horizons，2019， DOI:10.1039/C9MH01699F，并被選為封面（Front cover）文章予以重點(diǎn)推介。論文的第一作者為北航博士后曹自權(quán)，通訊作者為中科院理化所劉洪亮副研究員。相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)協(xié)會(huì)等的大力支持。

  研究團(tuán)隊(duì)近期在高性能離子凝膠及其復(fù)合物的研究成果還發(fā)表在Adv. Mater. 2017, 28, 1704253、Adv. Electro. Mater. 2019, DOI: 10.1002/aelm.201900668、Chin. J. Polym. Sci. 2019, DOI: 10.1007/s10118-020-2357-2、ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 29010以及Adv. Mater. 2016, 28, 7167上。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1039/C9MH01699F