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山東大學劉亞慶課題組 ACS AMI: 可重構的超分子水凝膠觸摸屏
2023-01-18  來源:高分子科技

  近年來,離子導電水凝膠材料被廣泛應用于制備傳感器、觸摸屏等離子器件,并展現出良好的生物相容性及出色的機械適應性。離子導電水凝膠通常由高分子聚合形成的三維凝膠網絡和作為電荷載流子的鹽離子構成,但受其共價交聯網絡的限制,此類水凝膠的可重構性較差,往往需要儀器輔助或外加化學物質實現交聯網絡重建,在實際的回收過程中帶來諸多不便。因此,開發新型的可回收、可重構的電學材料有著重要的實際需求。


  由小分子凝膠因子通過非共價相互作用自組裝形成的超分子水凝膠,其凝膠網絡常對外界刺激如光、熱、力、化學添加物等具有響應性。其中,依托于凝膠的觸變性,由機械力誘導的溶液-凝膠可逆轉變為設計室溫條件下可回收重構的電學材料提供了新的思路。因此,小分子凝膠的刺激響應性在功能性離子器件開發中具有獨特的潛力。然而,大量離子的引入常會擾亂超分子組裝體間的非共價相互作用,阻礙三維凝膠網絡構筑,小分子水凝膠在離子器件中的應用依然存在技術性挑戰。


  為解決上述問題,山東大學化學與化工學院劉亞慶教授課題組開發了鋰離子誘導成膠策略,成功設計了由 Bola 型兩親分子和鋰離子自組裝形成的具有觸變性的小分子水凝膠(圖1)。在該凝膠中,鋰離子不僅與兩親分子的頭基發生相互作用,共同構筑了超分子組裝體,同時作為電荷載流子賦予凝膠良好的導電性(圖2)。繼而通過聚合物輔助方法引入少量聚乙烯醇鏈段構筑復合網絡結構,顯著提高了該凝膠的壓縮強度(圖2使其滿足觸摸屏的在日常使用中的力學強度需要。基于該導電超分子水凝膠,研究人員成功開發了表面電容式觸摸屏該觸摸屏可以靈敏感知觸碰信息,準確定位觸碰位置(圖3)。得益于該水凝膠的觸變性,在室溫條件下通過簡單的回收攪拌,即可按需將該水凝膠觸摸屏重構至任意形狀(圖4)。該工作不僅擴寬了小分子水凝膠的應用場景,同時為開發具有可回收重構的電學器件材料提供了新思路。 


圖1 基于可重構導電超分子水凝膠的觸摸屏 


圖2 導電超分子水凝膠的組裝機理及力學性能 


圖3 導電超分子水凝膠觸摸屏的位置識別性能 


機械力誘導可重構導電超分子水凝膠觸摸屏


  相關成果以"A Reconfigurable Touch Panel Based on a Conductive Thixotropic Supramolecular Hydrogel"為題發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。文章第一作者為山東大學化學與化工學院22碩士生胥琳于荷蘭萊頓大學攻讀博士學位。通訊作者為山東大學化學與化工學院劉亞慶教授工作得到了國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金和山東省自然科學基金的支持。北京科技大學王天宇教授,中國科學院化學研究所劉鳴華研究員對該研究提供了指導和幫助。


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c18471

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(責任編輯:xu)
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