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  隨著新型柔性電子器件的發(fā)展趨向于結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、定制化，作為其中的重要材料，離子凝膠的結(jié)構(gòu)性能和可加工性是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。然而，目前制備高性能離子凝膠的方法，如引入雙網(wǎng)絡(luò)或非共價(jià)交聯(lián)等，通常基于常規(guī)的加工成型方法得到塊體凝膠，不利于在定制化的器件中應(yīng)用。設(shè)計(jì)制備兼具優(yōu)異的機(jī)械性能以及靈活的可加工性的高性能離子凝膠仍然是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

  近日，煙臺大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院劉洪亮教授團(tuán)隊(duì)提出一種新策略，利用嵌段共聚物聚苯乙烯-聚環(huán)氧乙烷-聚苯乙烯(PS-PEO-PS)在混合的離子液體，1-(4-乙烯基芐基)-3-丁基咪唑雙三氟甲基磺酰亞胺([VBBIm]NTf₂)和1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲基磺酰亞胺([EMIm]NTf₂)中自組裝得到物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步通過噴墨打印、噴涂以及3D打印等加工方法得到具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的物理-化學(xué)交聯(lián)離子凝膠。

  首先，PS-PEO-PS和混合離子液體溶于共溶劑中得到均勻溶液，隨著溶劑的揮發(fā)，PS-PEO-PS在混合離子液體中自組裝，形成粘度可調(diào)的膠束交聯(lián)的離子凝膠。通過控制溶劑的揮發(fā)程度可以有效地調(diào)節(jié)離子凝膠的粘度，適用于不同的加工技術(shù)。例如，粘度較低的離子凝膠適用于噴墨打印得到復(fù)雜圖案；中等粘度的離子凝膠可以噴涂到不同基底上，通過紫外光交聯(lián)固化形成堅(jiān)固的導(dǎo)電離子凝膠涂層；高粘度的離子凝膠仍然具有剪切流動性，可以通過光固化3D打印得到各種復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)。由于離子液體具有高度可設(shè)計(jì)性，在合成新型嵌段共聚物之外，可以通過設(shè)計(jì)功能性混合離子液體作為分散相，為高性能離子凝膠的靈活加工和可編程制備開辟了一條新途徑。

  物理-化學(xué)交聯(lián)的離子凝膠相比單純的物理交聯(lián)或化學(xué)交聯(lián)表現(xiàn)出更優(yōu)異的機(jī)械性能，在應(yīng)變超過400%時的拉伸強(qiáng)度為0.29 MPa，而在85%應(yīng)變時的抗壓強(qiáng)度達(dá)10 MPa。當(dāng)離子凝膠被拉伸時，剛性的化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)能夠在相對較小的應(yīng)變下產(chǎn)生裂紋，耗散大部分能量，而物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)仍然能夠通過纏結(jié)和分子間的相互作用維持化學(xué)網(wǎng)絡(luò)的完整性，從而保持離子凝膠的機(jī)械韌性。此外，由于化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的形成限制了電荷的遷移，因此物理-化學(xué)交聯(lián)的離子凝膠導(dǎo)電性低于單純物理交聯(lián)的離子凝膠。

  作為柔性應(yīng)變傳感器，物理-化學(xué)交聯(lián)離子凝膠具有良好的靈敏度、長期穩(wěn)定性、快速響應(yīng)和恢復(fù)能力，以及在高濕和高鹽條件下的穩(wěn)定性。其靈敏系數(shù)(GF)在0%到100%應(yīng)變范圍內(nèi)為2，在超過100%應(yīng)變范圍內(nèi)為4.4，并能夠在100%應(yīng)變下循環(huán)4000次后保持90%的靈敏度。離子凝膠能夠在-20 °C至80 °C的溫度范圍，以及在高濕度，飽和氯化鈉溶液中表現(xiàn)出穩(wěn)定的電響應(yīng)。

圖1. 物理-化學(xué)交聯(lián)離子凝膠的設(shè)計(jì)思路和靈活的可加工性。

  此外，利用離子凝膠靈活的可加工性，可以通過3D打印制備具有拉脹結(jié)構(gòu)框架的離子凝膠，通過拉脹結(jié)構(gòu)降低凝膠的泊松比，從而提高在微小形變條件下的靈敏度。例如，具有拉脹結(jié)構(gòu)的離子凝膠可以用于監(jiān)測微小的人體運(yùn)動，與塊體離子凝膠相比，在相同的人體運(yùn)動過程中，拉脹離子凝膠能夠產(chǎn)生更大的響應(yīng)信號，靈敏度能夠提高五倍。

圖2. 物理-化學(xué)交聯(lián)離子凝膠的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性。

圖3. 物理-化學(xué)交聯(lián)離子凝膠用于柔性傳感器。

  該成果以“Highly Processable Ionogels with Mechanical Robustness”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上，論文的第一作者為煙臺大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院講師馬初驁博士，通訊作者為煙臺大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院劉洪亮教授，共同通訊作者為美國卡耐基梅隆大學(xué)Krzysztof Matyjaszewski教授。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202211771