南京大学张秋红、贾叙东团队《Adv. Funct. Mater.》：用于人机交互系统的低滞后“分子滑轮”离子凝胶

2023-04-23 来源：高分子科技

近年来基于离子导电型的凝胶材料受到广泛关注，这类材料广泛应用于可穿戴传感器、仿生离子皮肤以及人机交互等领域。通常来说，用于柔性传感器件的导电凝胶应具有优异的力学性能、较低的力学滞后性以及良好的离子导电性等特点，以保证其在使用过程中具有稳定且快速的电学响应性。

图1. 基于分子轮滑的低滞后离子凝胶的分子设计

基于这一需求，南京大学化学化工学院贾叙东教授、张秋红副教授课题组将分子轮滑（聚轮烷）和离子液体引入到聚丙烯酸酯交联网络中，从而制备出一种兼具优异拉伸性、高回弹性的导电离子凝胶（图1）。由于分子轮滑的引入，材料具有优异的拉伸性(应变550%)和抗疲劳性能(50%应变下10000次循环拉伸裂纹几乎不扩展)，从而确保传感器件能够长期稳定的使用；另外，选择与基体相容性较好的离子液体([BMI]⁺[TFSI]^-)赋予了凝胶优异的导电性、粘附性，更重要的是离子液体在一定程度上减少分子轮滑之间由于氢键导致的聚集，赋予分子轮滑中的环糊精更高的滑动自由度，从而降低能量耗散，使得离子凝胶表现出较低的滞后性（残余应变~7%）（图2）。

图2. 分子滑轮离子凝胶的力学、滞后性、抗疲劳和粘附性表征

研究人员进一步表征了离子液体在实现分子滑轮类材料低滞后特性的机理。通过红外光谱、原子力显微镜、小角X射线散射和应力松弛等表征得出：离子液体的引入能够有效分散环糊精聚轮烷在聚丙烯酸酯中的聚集，导致相邻环糊精之间的氢键作用减少。因此，拉伸过程中聚轮烷上环糊精滑动所带来的能量耗散也更少，说明环糊精聚轮烷在滑动增韧的同时并未给体系带来更多的能量耗散（图3）。此外，作为柔性传感材料的基底材料，研究人员还测量了EA-PR-IL-100%离子凝胶的电导率和阻抗。该离子凝胶在1 Hz至100 kHz范围内具有良好的离子电导率（超过0.31 mS·mm^-1）。同时，该离子凝胶在多次循环拉伸后仍具有稳定的应变传感性能。由于该离子凝胶在使用过程中会与皮肤相接触，研究人员还评估了其生物相容性。

图3. 相容性离子液体在实现分子滑轮类材料低滞后性能的机理表征

基于EA-PR-IL-100%离子凝胶优异的延展性、低滞后性、粘附性和抗疲劳等特性，研究人员设计了一款无线控制的快速响应人机交互系统。其中低滞后性的离子凝胶作为柔性传感单元，在采集手腕运动信号时，能够实现较低的信号采集延迟，从而可以实现对微型小车的快速移动控制（图4）。

图4. 基于低滞后离子凝胶的快速响应人机交互系统以及对微型小车的控制

相关成果近日在线发表于Advanced Functional Materials期刊，论文的第一作者是杜瑞春博士，通讯作者是张秋红副教授和贾叙东教授。感谢国家自然科学基金和中央高校科研业务费的支持。高性能高分子材料与技术教育部重点实验室以及配位化学国家重点实验室在本研究中给予了支持。南京大学电子科学与工程学院的潘力佳教授对工作给予了大力支持和帮助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202212888

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（责任编辑：xu）

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