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  生命體系的生理活動一刻也離不開離子傳導，譬如皮膚和神經纖維必須通過離子傳導電信號實現環境感知和運動反饋。可拉伸離子導體是模擬彈性生物組織離子傳輸的重要材料，由此發展形成的“可拉伸離電學”在仿生皮膚、人工肌肉、可拉伸儲能、軟機器人等領域取得了廣泛應用。然而，現有的可拉伸離子導體大都基于富含自由離子的柔性高分子網絡，拉伸時柔性高分子鏈沿拉伸取向導致離子電導率發生輕微提升（一般小于5倍）。這一固有而“溫吞”的機電耦合特性使得可拉伸離子導體既無法像逾滲電子導體一樣具備較高的電阻感知靈敏度，也無法在拉伸過程中維持高效離子電導以確保信號傳輸質量，難以匹配當前可拉伸電子器件的多樣化需求。

  東華大學武培怡教授課題組前期圍繞可拉伸離子導體的分子設計開展了大量研究工作。例如，通過超分子組裝制備了能力學適應復雜曲面及其變形的礦物水凝膠和聚硫辛酸離子凝膠（Adv. Mater. 2017, 29, 1700321；Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2101494）；將兩性離子單體與丙烯酸或甲基丙烯酸無規共聚，開發了可感知多種外界刺激的可拉伸導電水凝膠（Nat. Commun. 2018, 9, 1134；ACS Nano 2018, 12, 12860）；在以上共聚體系中引入結構匹配的離子液體，通過導電通道和動態交聯網絡之間的協同效應實現了離子凝膠電導率大拉伸下穩定（Nat. Commun. 2019, 10, 3429）；從動態化學出發，基于兩性離子超分子競爭網絡設計出了集合皮膚應變硬化、自修復和感知三重功能的可拉伸離子導電彈性體（Nat. Commun. 2021, 12, 4082）；利用含氟聚離子液體與離子液體之間的離子-偶極和離子-離子相互作用，設計了一種可水下通信的光學偽裝離子凝膠（Adv. Mater. 2021, 33, 2008479）；結合3D打印、拉伸紡絲或褶皺芯鞘纖維等先進加工技術，提高了離子導體器件的感知靈敏度 (Mater. Horiz. 2017, 4, 694；Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1910387；Mater. Horiz. 2021, 8, 2088)。

  近期，受“泳道”啟發，通過離子傳導迂曲度（tortuosity）調制，該研究團隊設計了一種具有超高力學韌性的離電液晶彈性體纖維（IonoLCE），打破了常規可拉伸離子導體的固有機電耦合特性，實現了離子電導率隨拉伸上千倍提升，且該變化過程完全可逆。這一離電纖維與基于柔性網絡的離子導體不同，結構中含有交替排列的剛性液晶基元和柔性間隔基，引入的含氟疏水離子液體（BMIM PF₆）僅與柔性間隔基相互作用。拉伸首先引起液晶基元有序排列（0-200%：多疇態向列相→單疇態向列相），而繼續拉伸則迫使液晶基元發生近晶相密堆積，從而與離子液體微相分離形成了高度有序（低迂曲度）的快速離子通道。這一電導率增強效應甚至會導致在一定應變下纖維的電阻反常下降，實現了與常規電阻傳感形式截然不同的波形傳感。

圖1. 受泳道啟發構筑具有拉伸誘導離子電導率急劇增強效應的離電液晶彈性體。

  離電液晶彈性體纖維直徑僅1 mm，含有30 wt%相對含量的離子液體（與軟段近乎1:1摩爾比），表觀完全透明（透明度約92%）。由于制備過程存在剪切流，離電液晶彈性體的多疇向列相沿軸向輕微取向，液晶相轉變溫度約為49.8 oC。力學表征顯示，離電液晶彈性體纖維具有較低的初始模量（0.5 MPa）、極高的拉伸率（2700%）、良好的拉伸回復（99%回復率）以及極強的力學韌性（56.9 MJ m^-3），可輕松反復提取約1.5公斤的重物。拉伸20倍使得纖維離子電導率由0.14 mS m^-1提升至143.86 mS m^-1（幾乎等同于純離子液體電導率），對應于1028倍增強。這一增強系數遠超同類可拉伸離子導體（< 5倍）。此外，同等配比制備的離電液晶彈性體薄膜也表現出了類似的增強效應，表明這一現象與材料形狀無關。

圖2. 離電液晶彈性體纖維/薄膜的光學、力學和電學表征。

  作者通過低場核磁氟譜、SAXS、紅外、分子模擬等表征手段分析了離電液晶彈性體纖維電導率急劇增強效應的原因。研究發現，離子電導率提升主要發生在后軟彈性區間（post-soft elasticity，應變>200%），即單疇向列相向近晶相的轉變過程。由于剛性液晶基元密堆積導致離子液體與液晶彈性體網絡相容性變差，從而發生微相分離形成了沿拉伸方向高度有序且相互貫通的離子納米通道。這些離子通道起到了類似 “泳道”的作用，使得離子（主要是PF₆陰離子）這些“運動員”可以以最短時間通過。

圖3. 離電液晶彈性體纖維電導率增強效應的結構解析。

  電導率隨拉伸急劇提升使得該離電液晶彈性體纖維具有反Pouillet定律預測的電阻變化曲線，在121%應變后電阻急劇下降，而618%應變后僅緩慢增長。這一特殊電阻變化可實現與常規離子導體傳感器截然不同的波形傳感，即拉伸至不同應變可反饋迥異的電阻變化波形。1500次循環拉伸測試表明，離電液晶彈性體纖維的波形傳感具有極好的穩定性。

圖4. 離電液晶彈性體纖維的電阻-應變曲線及波形傳感。

  液晶彈性體的液晶基元取向隨溫度可逆變化從而發生宏觀變形，是模仿肌肉伸縮能力的典型仿生致動材料。有趣的是，將離子液體引入液晶彈性體網絡后，離電液晶彈性體纖維仍然保持著極高的致動性能。施加0.2 MPa偏壓后，加熱至液晶相轉變溫度可發生約70%的長度收縮。將具有光熱功能的分散紅染料DR1引入離電液晶彈性體纖維，532 nm波長的綠色激光照射也可產生遠程致動效果。此外，離電液晶彈性體纖維的致動能力也可與感知功能進行一體化協同。將纖維固定至不同應變，激光脈沖可帶來同步的收縮力與電阻信號變化。固定應變越大，收縮力越大，而電阻則受到溫度和迂曲度相互競爭的影響先增大后減小。

圖5. 離電液晶彈性體纖維的致動性能及感知-致動協同響應。

  以上研究成果近期以“A Highly Robust Ionotronic Fiber with Unprecedented Mechanomodulation of Ionic Conduction”為題，發表在《Advanced Materials》（Adv. Mater. 2021, DOI: 10.1002/adma.202103755）上。東華大學化學化工與生物工程學院碩士研究生姚明月為文章第一作者，武培怡教授和孫勝童研究員為論文共同通訊作者。

  該研究工作得到了國家自然科學基金重大項目、重點項目、上海市青年科技啟明星等項目的資助與支持。德國于利希中子散射中心（JCNS）吳寶虎博士與東華大學馮訓達研究員也參與了該研究。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202103755