港城大杨凯/Derek Ho Angew：离子选择性迁移率差分放大器 - 增强水凝胶中的压力感应电压响应

2024-11-20 来源：高分子科技

被Piezoinoics 压电离子学领域开拓者John D. W. Madden 团队（Science 376, 502–507,2022）评价为：Pizeoinoics领域的又一代表研究。

人类皮肤是表面积最大的器官，负责大量感官信息的转导。柔软的皮肤机械感受器向神经组织发送信号以产生触觉。由于人体皮肤中的感觉受体通过离子流对外部刺激做出反应，因此以电子作为信号载体的电子皮肤在实现与生物系统的真正原生集成方面受到限制。压电离子学 (Piezoinoics) 是离子电子学领域的一种新离子范例，提供了一种自供电、柔软且生物相容的替代传感方法。压电效应是（溶剂注入的聚合物）材料中阴离子和阳离子物质响应于施加的压力而瞬时分离，从而产生电压或电流。压电离子器件已被证明可以产生宽时间范围的瞬态信号，这些信号结合了高电荷密度和低电压操作，其特性与基于离子通信的生物对应器件高度相似。因此，压电离子学提供了一种组合现有的自供电机制无法满足各种医疗应用（例如人造皮肤和神经接口）的功能，从而为与离子生物过程的无缝直接集成打开了大门。尽管以报道的研究取得了显著的进展，但之前的报告仅利用了在施加压力下阳离子和阴离子的自然且不明显的分离，没有明确的增强来增加电荷分离以产生放大的压电输出，且Piezoinoics的输出曲线特性并没有被完全清晰的揭示。

文章亮点：

1. 提出了一种使用冠醚作为离子选择性迁移率差分放大器的策略，以增强离子聚乙烯醇（PVA）水凝胶中的压力感应电压响应。
2．采用分子动力学模拟和实验进一步的证实了Piezoinoic的电压离子输出和振幅主要由压力诱导下阴阳离子扩散速率差所决定，以及展示了Piezoinoic在不同压力下类型的输出曲线特性。
3.冠醚接枝PVA-CE 水凝胶在 0 – 1 kPa 范围内实现了 30 倍放大的压电离子系数 1490 nV Pa^?1，而未改性 PVA 的压电系数为 49 nV Pa^?1。PVA-CE 具有 0.2 Pa 的超低压检测限和 18.1 ms 的快速响应时间。
4. 应用展示了使用阵列压力传感的类人体体感网络PVA-CE 压电离子皮肤。

示意图. PVA-CE压电离子皮肤增强机电转换示意。a) PVA-CE 水凝胶的化学成分，b) 冠醚的两个主要功能：(1) 离子对解离和 (2) 离子去溶剂化，充当离子选择性迁移率差分放大器 (ISMDA)。c) 具有 ISMDAs 的PVA水凝胶结构。

图1. PVA-CE聚合物和水凝胶的合成和表征。a)冠醚(CE)接枝聚乙烯醇(PVA-CE)的合成路线，(1)Williamson反应和(2)酯交换反应。b) CE、PVA 和 PVA-CE 的 NMR-H 谱。c) PVA 和 PVACE 水凝胶的数码照片。d）拉伸应力-应变曲线和e）计算的不同交联剂含量的PVA和PVA-CE水凝胶的杨氏模量和韧性。

PVA-CE聚合物的合成路线采用了Williamson反应和酯交换两种反应。
设计交联剂均一化水凝胶的模量，减少形变误差带来的Piezoinoic输出影响

图2. 离子水凝胶中离子动力学的模拟。a) 用于分子动力学 (MD) 模拟的 PVA 和 PVA-CE 凝胶模型（无压力）。b) b)Na⁺ - H₂O和 c) Na⁺ -Cl^? 的径向分布函数 (RDF) d) PVA 和 PVA-CE 在压力下的模型（离子通量：当盒子中心区域受到压力时离子向左/右端的扩散）e) Na⁺离子和Cl^?离子之间的扩散率随时间的变化。PVA-CE表现出增大的扩散率差异，且在施加压力最大时扩散率差异最大。注：接触离子对 (CIP)、溶剂共享离子对 (SIP) 和溶剂分离离子对 (SSIP)。

在无压力体系下：研究分析了冠醚对钠离子的去溶剂化和离子解对的作用
在有压力体系下：研究分析了冠醚对钠离子选择性传输所带来的阴阳离子扩散速率差的提升。

图3. 离子水凝胶的压力诱导电响应。a) PVA-CE 水凝胶压痕测试示意图。b) PVA 和 PVA-CE 在 10 kPa下的阶跃响应和脉冲响应。c) 压电离子系数。d) PVA-CE 装置对五滴连续水滴的响应，每滴水大约施加 4 Pa 的压力。e) PVA-CE的1000圈的循环响应稳定性。f)测试显示PVA-CE的性能在再水化后完全恢复。

研究分析了Piezoinoic电压输出在两种压力下的曲线特性。由于压力产生的离子流的缘故，在Hold 模式下，观察到力介入和力离开所对应的极性相反的压电输出，进一步的证明了Piezoinoic输出是由于离子扩散行为产生的。
PVA-CE传感器展示出低的检测底线、噪音以及具有长循环的稳定性以及再水化形状记忆能力。

图4. 压电离子皮肤设计和表征。a）具有 2×2 和 1×6 电极阵列配置的压电离子装置的光学照片，旨在测量远离压力中心的各个空间位置的电压响应。b) 2×2 和 c) 1×6 压电离子器件在不同电极处收集的电响应。d) 使用 6×6 电极阵列实现的压电离子皮肤的示意图和 e) 光学照片。f) 照片和 g) 压电皮离子肤感应单次触摸、多次触摸和捏合的相应电压图。

研究分析了不同电极距离、压力面积等Piezoinoic电压输出，旨在分析压力中心和各个空间位置的压电离子输出变化规律。
设计了一片式的Piezoinoic皮肤可感应捕捉单次触摸、多次触摸和捏合的等动作。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202415000

作者信息

第一作者：杨凯

香港城市大学博士后、香港心脑血管健康工程研究中心(COCHE)副研究员。主要研究弹性高分子、功能性高分子材料结构设计、合成及其在传感、柔性电子和能源领域的应用。累计发表学术论文三十余篇，其中以第一或通讯作者在Angew. Chem., ACS Energy Letters., Nano-Micro letters, Carbon Energy, Energy &Environmental Materials 等知名期刊发表论文十余篇。2024 年获 “香港创新及科技基金项目研究人才库（RTH）” 资助，申请国际专利1项，中国专利1项。

通讯作者：Derek Ho

香港城市大学材料科学与工程系副教授，领导Atoms-to-Systems Laboratory (ATS Lab)。同时，Prof. Ho 是香港心脑血管健康工程研究中心的创始成员，也是该中心的共同首席研究员。Prof. Ho 以一等优异成绩获得不列颠哥伦比亚大学 (University of British Columbia) 电子和计算机工程学士学位和硕士学位，并于 2013 年获得多伦多大学 (University of Toronto) 电子和计算机工程博士学位。Prof. Ho研究兴趣主要集中在可穿戴电子设备材料和器件，特别关注其传感和储能上的应用。课题组近年来在EES, Angew, AEM, AFM 等发表了论文数十篇。除了科学研究，Prof. Ho 还对教学创新充满热情，他曾获得香港大学教育资助委员会颁发的"以香港的领先技术将科学技术人才转化为科技企业家"教学资助，同时领导国际大学教育工作者改善工程创业教育的教学成果。

课题组链接：www.atomstosystems.com

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（责任编辑：xu）

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