可拉伸电子器件旨在通过构建大应变稳定的导电通路以应对多种变形场景下的感知和电学信号传输需求。为最大程度减少材料浪费、降低生产成本以及制造大面积电子产品，在绝缘基材上涂覆或印刷本征可拉伸导体可将基材与导体的优异性能合二为一，也是集成电子学的重要组成部分。然而，绝缘基材通常具有各种复杂形状和不同的表面化学性质，开发一种可适用于绝大部分基材的可拉伸导体油墨仍极具挑战性。现有的可拉伸电子导体透明性差，且导电填料与弹性基质复合存在着模量与拉伸性能的相互制约，涂覆于基材表面易在反复变形过程中剥离脱落。将离子导电的可拉伸水凝胶涂覆于基材表面目前多借助于有毒单体的渗透聚合，且由于水表面张力较大，难以实现复杂形状表面的均匀附着。此外，一般的水凝胶涂层也面临着较为严重的脱水问题。

  东华大学武培怡教授课题组近年来致力于系列可拉伸离子导体的开发与多功能应用，实现了离子皮肤的自修复特性 (Adv. Mater.2017, 29, 1700321)，双模式感知及广谱可调的力学性质(Nat. Commun. 2018, 9, 1134)，光学和电学性质的同步响应 (ACS Nano, 2018, 12, 12860)，集成温度、湿度、应力和应变多重感知功能的离子皮肤 (Mater. Horiz.2019, 6, 538)，提出分子协同策略优化了本征可拉伸导体的力学性能以及实现对液体分子的感知功能(Nat. Commun.2019, 10, 3429)，可食用面团离子皮肤传感器(Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1908018)，可感知多种外界刺激的弹性水凝胶微纤维（Adv. Funct. Mater.2020, 30, 1910387），以及具有诊疗功能的仿生离子皮肤（Adv. Funct. Mater.2021, 31, 2008020）等。

  近日，东华大学武培怡教授和孙胜童研究员团队开发出一种基于天然小分子α-硫辛酸室温开环自聚合的可自由涂覆的离子凝胶油墨。该油墨制备过程极为简单，通过将硫辛酸、离子液体（[EMI][ES]）与乙醇以一定比例混合，室温下静置两个小时即可得到透明高拉伸的聚硫辛酸离子凝胶材料。该离子凝胶再经乙醇稀释至任意浓度，实现了对平面或非平面物体的表面涂覆以及多孔材料的浸渍涂覆。被涂覆物体在空气中均表现出了稳定的离子导电能力和应变感知功能。

图1. 可涂覆聚硫辛酸离子凝胶油墨的结构设计与基本表征。

  硫辛酸是一种可聚合的天然小分子，加热熔融可诱发其开环聚合，但降至室温又将重新解聚为低聚物。作者发现，在离子液体[EMI][ES]存在下，硫辛酸室温条件下即可受浓度诱导自发开环聚合而不发生解聚。经二维相关红外光谱和分子动力学模拟分析，探讨了离子液体对聚硫辛酸的稳定机制，发现离子液体[ES]阴离子与聚硫辛酸羧基之间形成了强烈的氢键缔合，强度仅次于羧基二元环状氢键，有效稳定了聚硫辛酸的链构象，阻止了其闭环解聚行为。

图2. 聚硫辛酸离子凝胶的内部相互作用与二维相关光谱解析。

  离子凝胶经硫辛酸与离子液体比例调节可实现力学和电学性能的大范围可调，最大拉伸超过100倍而不发生断裂。适当拉伸速度下表现出类似皮肤的“应力硬化”特征，且在55 °C以上完全自修复。向离子凝胶油墨中添加少量羟丙基纤维素可进一步调节油墨粘度，并改善离子凝胶材料的弹性恢复性能。此外，离子凝胶对多种基材表现出良好的界面粘附，可涂覆于乳胶手套、气球、PET等表面形成稳定的离子凝胶涂层，还可渗透入脱除木质素的木材内部，获得高透明且具有各向异性离子导电能力的透明复合木头。

图3. 聚硫辛酸离子凝胶油墨的涂覆和粘附性能。

  离子凝胶在较大应变范围内具有优异的回弹性且电学信号对应变快速响应，拉伸至200%应变经历2500次循环仍然呈现出稳定的电学反馈。将离子凝胶涂覆于VHB胶带或乳胶球上，可实时感知手指弯曲和乳胶球的变形程度。将离子凝胶渗透至聚氨酯海绵内可赋予其离子导电性，从而响应在不同高度下落的乒乓球弹跳运动。此外，离子凝胶油墨还可渗透至3D打印聚氨酯基框架内，以识别不同的压缩程度。为展示其在智能织物方面的应用潜力，将离子凝胶油墨均匀渗透至绝缘弹力绳内，也可对150%的大应变进行精准的实时响应，体现出较强的集成传感能力。

图4. 聚硫辛酸离子凝胶涂覆不同基材应用于应变传感。

  以上研究成果近期以“Adaptive Ionogel Paint from Room-Temperature Autonomous Polymerization of α-Thioctic Acid for Stretchable and Healable Electronics”为题，发表在《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202101494）上。东华大学化学化工与生物工程学院硕士生汪英杰为文章第一作者，武培怡教授和孙胜童研究员为论文共同通讯作者。

  该研究工作得到了国家自然科学基金重大项目、上海市青年科技启明星等项目的资助与支持。

  论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202101494