港中深朱世平和张祺团队 ACS AMI：受仿生启发的半结晶动态离子凝胶用于形状记忆和触觉感知

2022-05-05 来源：高分子科技

海参等生物系统通过动态改变它们的形状、结构或机械状态，从而感知和适应环境变化（譬如温度变化和身体接触）。形状记忆高分子（SMPs）能用于模仿生物系统的结构转换或形状适应。虽然 SMP 已经可实现在多种情况下可逆甚至多步形状变换，但仍难以实现直接和实时感知。此外，大多数 SMP 都是基于温度触发，依赖于通过热传导或对流进行外部加热，但此过程的效率通常会受限于SMP的低热导率。研究如何将感应功能植入SMP并使用高效的自加热来激活其形状记忆过程，具有重要意义，同时也极具挑战性。

香港中文大学（深圳）理工学院朱世平和张祺团队报道了一种半结晶动态离子凝胶（SDIGs），该凝胶兼具环境感知和形状记忆双重功能，可成功用于以模仿生物系统。SDIGs由共聚长侧链结晶域单体至无定型聚合物网络、后浸泡引入离子液体（IL）制备而成。其中，长侧链结晶域单体为甲基丙烯酸二十二烷酯 (BeMA)，无定型单体为丙烯酸乙酯 (EA)， IL则选择了1-乙基-3-甲基咪唑鎓双（三氟甲基磺酰基）亚胺（[EMIM][TFSI]）。在此设计中，结晶域源自于BeMA长侧烷基之间的疏水相互作用，可以提供动态相变和形状记忆功能；EA段与IL具有优异的相容性和亲和性，有助于引入和保持IL，从而赋予材料良好的电学性能。文章研究了单体组成和离子液体含量对SDIGs性能的影响，并成功展示了由离子焦耳热触发的致动器，以及触摸传感器。这项工作为开发动态力学离子凝胶提供了一种有效的方法，并将为生物系统仿生应用提供有益的思路。该研究以 “Bioinspired Semicrystalline Dynamic Ionogels with Adaptive Mechanics and Tactile Sensing”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

【图1】(a) 半晶态动态离子凝胶 (SDIG) 设计概念示意图。(b) 制备材料的化学结构。 (c) 数码相机和偏光显微镜分别在 26°C 和 60°C 下拍摄的样品光学图像。(d) 样品 BeMA₅₀-IL35 加热前后的透光率曲线。 (e) 差示扫描量热法 (DSC) 测试显示不同样品的熔化曲线。

【图2】(a) BeMA₅₀-IL35 形状记忆行为的演示：(1 和 2) 热风枪加热后将刚性薄膜（半透明）转化为柔软薄膜（透明）； (3、4) 捻软膜，冷却后保持形状；(5 和 6) 重新加热后恢复原始形状。（比例尺：1 厘米） (b) 连续的弹性（形状记忆）循环。(c) 结晶动态离子凝胶的高度可逆调控特性示意图。 (d) BeMA₅₀-IL35 在DMA 测试下的机械性能。 (e) BeMA₅₀-IL35的拉伸试验结果。 (f) 烫印产生的花朵图案在加热后被擦掉，该样品可以进一步印刷或压印指纹。

【图3】（a）负相位角（?φ）与测试频率的关系图，以确定焦耳加热的优化频率。 (b) 离子凝胶用来模拟花朵开花的过程。BeMA₅₀-IL35 样品在26?60°C的(c) 奈奎斯特阻抗图和 (d) 离子电导率。(e) 离子电导率在结晶 (26 °C) 和熔化 (60 °C) 状态下的10 次循环变化。

【图4】基于 SDIG（BEMA₅₀-IL35样品）的触摸传感器的阻抗谱。(a,d,g)不同形状的触摸传感器示意图。不同形状（原始、加工和恢复）的触摸传感器(b,e,h)的阻抗幅度 (|Z|) 和负相位角 (?φ)随测试频率的变化关系图。（c,f,i）阻抗幅度（|Z|）和负相位角（?φ）在40 kHz 的固定频率下触摸的响应变化。香港中文大学（深圳）理工学院何文卿博士和明小庆博士为文章共同第一作者，通讯作者为香港中文大学（深圳）理工学院朱世平教授和张祺助理教授。

论文信息：

Bioinspired Semicrystalline Dynamic Ionogels with Adaptive Mechanics and Tactile Sensing.

Wenqing He, Xiaoqing Ming, Yang Xiang, Changgeng Zhang, He Zhu, Qi Zhang*, and Shiping Zhu*.

ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 20132?20138

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c04510

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（责任编辑：xu）

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