海參等生物系統通過動態改變它們的形狀、結構或機械狀態，從而感知和適應環境變化（譬如溫度變化和身體接觸）。形狀記憶高分子（SMPs）能用于模仿生物系統的結構轉換或形狀適應。雖然 SMP 已經可實現在多種情況下可逆甚至多步形狀變換，但仍難以實現直接和實時感知。此外，大多數 SMP 都是基于溫度觸發，依賴于通過熱傳導或對流進行外部加熱，但此過程的效率通常會受限于SMP的低熱導率。研究如何將感應功能植入SMP并使用高效的自加熱來激活其形狀記憶過程，具有重要意義，同時也極具挑戰性。
香港中文大學（深圳）理工學院朱世平和張祺團隊報道了一種半結晶動態離子凝膠（SDIGs），該凝膠兼具環境感知和形狀記憶雙重功能，可成功用于以模仿生物系統。SDIGs由共聚長側鏈結晶域單體至無定型聚合物網絡、后浸泡引入離子液體（IL）制備而成。其中，長側鏈結晶域單體為甲基丙烯酸二十二烷酯 (BeMA)，無定型單體為丙烯酸乙酯 (EA)， IL則選擇了1-乙基-3-甲基咪唑鎓雙（三氟甲基磺；﹣啺罚[EMIM][TFSI]）。在此設計中，結晶域源自于BeMA長側烷基之間的疏水相互作用，可以提供動態相變和形狀記憶功能；EA段與IL具有優異的相容性和親和性，有助于引入和保持IL，從而賦予材料良好的電學性能。文章研究了單體組成和離子液體含量對SDIGs性能的影響，并成功展示了由離子焦耳熱觸發的致動器，以及觸摸傳感器。這項工作為開發動態力學離子凝膠提供了一種有效的方法，并將為生物系統仿生應用提供有益的思路。該研究以 “Bioinspired Semicrystalline Dynamic Ionogels with Adaptive Mechanics and Tactile Sensing”為題發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。
【圖1】(a) 半晶態動態離子凝膠 (SDIG) 設計概念示意圖。(b) 制備材料的化學結構。 (c) 數碼相機和偏光顯微鏡分別在 26°C 和 60°C 下拍攝的樣品光學圖像。(d) 樣品 BeMA50-IL35 加熱前后的透光率曲線。 (e) 差示掃描量熱法 (DSC) 測試顯示不同樣品的熔化曲線。
【圖2】(a) BeMA50-IL35 形狀記憶行為的演示：(1 和 2) 熱風槍加熱后將剛性薄膜（半透明）轉化為柔軟薄膜（透明）； (3、4) 捻軟膜，冷卻后保持形狀；(5 和 6) 重新加熱后恢復原始形狀。（比例尺：1 厘米） (b) 連續的彈性（形狀記憶）循環。(c) 結晶動態離子凝膠的高度可逆調控特性示意圖。 (d) BeMA50-IL35 在DMA 測試下的機械性能。 (e) BeMA50-IL35的拉伸試驗結果。 (f) 燙印產生的花朵圖案在加熱后被擦掉，該樣品可以進一步印刷或壓印指紋。
【圖3】（a）負相位角（?φ）與測試頻率的關系圖，以確定焦耳加熱的優化頻率。 (b) 離子凝膠用來模擬花朵開花的過程。BeMA50-IL35 樣品在26?60°C的(c) 奈奎斯特阻抗圖和 (d) 離子電導率。(e) 離子電導率在結晶 (26 °C) 和熔化 (60 °C) 狀態下的10 次循環變化。
【圖4】基于 SDIG（BEMA50-IL35樣品）的觸摸傳感器的阻抗譜。(a,d,g)不同形狀的觸摸傳感器示意圖。不同形狀（原始、加工和恢復）的觸摸傳感器(b,e,h)的阻抗幅度 (|Z|) 和負相位角 (?φ)隨測試頻率的變化關系圖。（c,f,i）阻抗幅度（|Z|）和負相位角（?φ）在40 kHz 的固定頻率下觸摸的響應變化。 香港中文大學（深圳）理工學院何文卿博士和明小慶博士為文章共同第一作者，通訊作者為香港中文大學（深圳）理工學院朱世平教授和張祺助理教授。
論文信息：
Bioinspired Semicrystalline Dynamic Ionogels with Adaptive Mechanics and Tactile Sensing.
Wenqing He, Xiaoqing Ming, Yang Xiang, Changgeng Zhang, He Zhu, Qi Zhang*, and Shiping Zhu*.
ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 20132?20138
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c04510
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