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  自電力系統被開發至今的二百多年以來，人類社會普遍使用基于電子傳遞電信號的各種電子設備。相比之下，自然界億萬年以來一直采用離子作為電信號的傳輸載體。離子的種類很多，但電子只有一種。雖然離子與電子性質迥異，但兩者協同作用的現象在生活中廣泛存在，例如腦電/心電/肌電信號的測量、電解質電池、燃料電池、液流電池和超級電容器等。基于離子與電子協同作用從而實現功能的器件統稱為離子-電子混合器件或離電器件。近年來，水凝膠作為高透明、可拉伸離子導體被廣泛地用于開發各種新型柔性離電器件，并迅速發展成為一個新興的研究領域。經典的水凝膠離電器件包括透明揚聲器、柔性傳感器、人造神經、柔性觸摸屏等。

  水凝膠離電器件中通常需要采用性能與水凝膠相匹配的透明、可拉伸彈性體作為介電材料（類似于印刷電路板中的導線與絕緣塑料組合）。但是，由于水凝膠含有大量的水而彈性體通常是疏水的，因此，水凝膠與彈性體的集成存在兩個難題：1）粘接；2）浸潤。關于粘接，由于通常情況下構成水凝膠與彈性體的高分子網絡之間沒有形成共價鍵且兩者性質相斥，導致界面粘接強度很低，一般低于1 J/m²量級。近年來國內外研究團隊針對水凝膠的粘接問題展開了廣泛而深入研究，大幅度地提高了水凝膠的粘接性能。其中，水凝膠與彈性體之間的粘接強度已達到1000 J/m²量級；這個數值已經超過了大部分水凝膠材料本身的斷裂能。關于浸潤，由于水凝膠前驅液的表面能比彈性體的表面能高，導致水凝膠前驅液不能在彈性體表面均勻地鋪展開。現有的粘接方法普遍忽略了浸潤問題；至今為止報道的水凝膠離電器件的結構大都局限于平面構型。

  鑒于上述情況，研究人員提出了一種既可以實現水凝膠與彈性體之間的高強度粘接，又可以實現水凝膠前驅液在彈性體表面均勻浸潤的方法，從而可以通過多步浸涂的工藝制備具有復雜構型的水凝膠離電器件。其中，水凝膠與彈性體之間的高強度粘接通過在水凝膠和彈性體的前驅體溶液中添加硅烷偶聯劑，基于硅烷偶聯劑縮合生成的化學健實現。均勻浸潤則通過在硅烷偶聯劑修飾的彈性體表面用同樣修飾有硅烷偶聯劑的含有親水高分子鏈的底涂溶液進行處理，提高彈性體的表面能，同時引入硅烷偶聯劑為后續涂層的高強度粘接提供官能團。

圖1 具有同軸結構的水凝膠發光纖維A)器件原理圖，B) 多步浸涂示意圖，C) 截面實物圖；D) 發光層掃描電鏡圖和E) 發光纖維實物圖。

  研究人員首先展示了一種具有同軸結構的水凝膠發光纖維，并闡述了器件工作原理、多步浸涂的工藝制備流程，如圖1所示。該纖維包含圓柱殼結構的水凝膠和彈性體。可以想象，基于模具的工藝制備這樣的器件將面臨技術上的挑戰。

圖2 液滴在不同表面的浸潤行為和彈性體表面微觀表征

  針對不同液滴在不同基底表面的浸潤行為，研究人員測量了接觸角隨時間的變化，如圖2D所示。確實，彈性體前驅液可以在水凝膠表面自發地鋪展開，而水則在未處理的彈性體表面形成水珠。但經過底涂工藝處理后，水也可以在彈性體表面鋪展開。為了驗證底涂工藝處理的效果，研究人員分別對處理過的彈性體表面進行了SEM和XPS表征，如圖2E, 2F, 2G所示。實驗結果均表明，底涂工藝處理成功地將修飾有硅烷偶聯劑的親水高分子鏈嫁接到了彈性體表面。

圖3 鹽析與局部熱效應

  隨后，研究人員對水凝膠發光纖維的力學與電學性能進行了測試，如圖3所示。可以看出，水凝膠發光纖維具有可拉伸、性能穩定等優點。其中，可拉伸性能歸功于水凝膠與彈性體材料本身的拉伸性能，而粉末狀的電致發光材料分散在彈性體中，不影響器件的變形。力學性能的穩定歸功于所使用的水凝膠與彈性體的彈性，以及兩者之間的穩定粘接。水凝膠電學性能的穩定歸功于水凝膠中所溶解的氯化鋰和彈性體封裝對于水分流失的抑制；彈性體電學性能的穩定歸功于其高分子網絡的疏水性能和較高的擊穿場強；發光性能的穩定歸功于疏水的彈性體對于水分子的隔離。

圖4 其他構型的水凝膠電致發光器件

  最后，研究人員展示了幾種其他構型的水凝膠電致發光器件，包括一種像素單元可移動的發光陣列，一個具有同軸結構的閉合發光圓環和一個具有籠狀結構的發光手提袋，如圖4所示。特別地，具有同軸結構的閉合圓環和具有籠狀結構的手提袋都很難通過基于模具的工藝制備得到。

  更多詳細信息，以及關于具有同軸結構的發光纖維的電路分析、像素單元可移動的發光陣列的驅動電路和分辨率分析等，請參考原文及支撐材料。

  這一研究工作最近發表在Advanced Materials上。論文第一作者兼通訊作者是南方科技大學力學與航空航天工程系助理教授楊燦輝博士；第二作者是程思博博士，曾作為聯培博士生在哈佛大學工學院從事研究；第三作者是姚晰博士，現為河南大學教授；第四作者是念國棟博士，現在哈佛大學工學院從事博士后研究；第五作者是劉綦涵博士，現為匹茲堡大學機械工程與材料科學系助理教授；美國科學院、工程院院士、哈佛大學鎖志剛教授為論文共同通訊作者。

  論文信息與鏈接

  Canhui Yang*, Sibo Cheng, Xi Yao, Guodong Nian, Qihan Liu, Zhigang Suo*, Ionotronic luminescent fibers, fabrics, and other configurations, Adv. Mater., 2020.

  DOI: 10.1002/adma.202005545

  https://doi.org/10.1002/adma.202005545

  楊燦輝助理教授與洪偉教授合作，目前已初步搭建起南方科技大學軟體力學實驗室，同時正在組建新團隊，長期招收推免直博生，碩、博士研究生和博士后等；研究方向包括軟材料力學，水凝膠器件，界面粘接，新型軟材料設計與加工，柔性傳感器與驅動器等。歡迎對相關研究方向感興趣的同學/博士/學者郵件聯系：yangch@sustech.edu.cn。請在郵件中做必要的自我介紹。