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南京大學張秋紅、賈敘東團隊《Adv. Funct. Mater.》：用于人機交互系統的低滯后“分子滑輪”離子凝膠

2023-04-23 來源：高分子科技

近年來基于離子導電型的凝膠材料受到廣泛關注，這類材料廣泛應用于可穿戴傳感器、仿生離子皮膚以及人機交互等領域。通常來說，用于柔性傳感器件的導電凝膠應具有優異的力學性能、較低的力學滯后性以及良好的離子導電性等特點，以保證其在使用過程中具有穩定且快速的電學響應性。

圖1. 基于分子輪滑的低滯后離子凝膠的分子設計

基于這一需求，南京大學化學化工學院賈敘東教授、張秋紅副教授課題組將分子輪滑（聚輪烷）和離子液體引入到聚丙烯酸酯交聯網絡中，從而制備出一種兼具優異拉伸性、高回彈性的導電離子凝膠（圖1）。由于分子輪滑的引入，材料具有優異的拉伸性(應變550%)和抗疲勞性能(50%應變下10000次循環拉伸裂紋幾乎不擴展)，從而確保傳感器件能夠長期穩定的使用；另外，選擇與基體相容性較好的離子液體([BMI]⁺[TFSI]^-)賦予了凝膠優異的導電性、粘附性，更重要的是離子液體在一定程度上減少分子輪滑之間由于氫鍵導致的聚集，賦予分子輪滑中的環糊精更高的滑動自由度，從而降低能量耗散，使得離子凝膠表現出較低的滯后性（殘余應變~7%）（圖2）。

圖2. 分子滑輪離子凝膠的力學、滯后性、抗疲勞和粘附性表征

研究人員進一步表征了離子液體在實現分子滑輪類材料低滯后特性的機理。通過紅外光譜、原子力顯微鏡、小角X射線散射和應力松弛等表征得出：離子液體的引入能夠有效分散環糊精聚輪烷在聚丙烯酸酯中的聚集，導致相鄰環糊精之間的氫鍵作用減少。因此，拉伸過程中聚輪烷上環糊精滑動所帶來的能量耗散也更少，說明環糊精聚輪烷在滑動增韌的同時并未給體系帶來更多的能量耗散（圖3）。此外，作為柔性傳感材料的基底材料，研究人員還測量了EA-PR-IL-100%離子凝膠的電導率和阻抗。該離子凝膠在1 Hz至100 kHz范圍內具有良好的離子電導率（超過0.31 mS·mm^-1）。同時，該離子凝膠在多次循環拉伸后仍具有穩定的應變傳感性能。由于該離子凝膠在使用過程中會與皮膚相接觸，研究人員還評估了其生物相容性。

圖3. 相容性離子液體在實現分子滑輪類材料低滯后性能的機理表征

基于EA-PR-IL-100%離子凝膠優異的延展性、低滯后性、粘附性和抗疲勞等特性，研究人員設計了一款無線控制的快速響應人機交互系統。其中低滯后性的離子凝膠作為柔性傳感單元，在采集手腕運動信號時，能夠實現較低的信號采集延遲，從而可以實現對微型小車的快速移動控制（圖4）。

圖4. 基于低滯后離子凝膠的快速響應人機交互系統以及對微型小車的控制

相關成果近日在線發表于Advanced Functional Materials期刊，論文的第一作者是杜瑞春博士，通訊作者是張秋紅副教授和賈敘東教授。感謝國家自然科學基金和中央高校科研業務費的支持。高性能高分子材料與技術教育部重點實驗室以及配位化學國家重點實驗室在本研究中給予了支持。南京大學電子科學與工程學院的潘力佳教授對工作給予了大力支持和幫助。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202212888

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（責任編輯：xu）

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