华南理工张安强教授团队 CEJ：基于相分离形成软硬异质结构和阳离子-π相互作用的机械强韧性防水离子凝胶实现水下粘附和传感

2024-08-29 来源：高分子科技

柔性离子导体在未来软离子电子学领域具有重要的应用前景。然而，创造具有机械稳健性，水下粘附性和水下运动监测能力的柔性导体仍然存在挑战。人体中存在各种软组织，如皮肤、肌腱和韧带，具有优异的机械强度、韧性和弹性，能够承受数十至数百兆帕的应力载荷(例如，人类皮肤的抗拉强度为1～32 MPa)。这些天然组织中（结缔组织）存在异质结构，如坚固的胶原纤维支架，低模量的弹性纤维和柔软的富水基质等。

近日，华南理工大学材料科学与工程学院张安强教授团队受生物体软组织中互穿的模量大小不同的软硬异质结构启发，提出了聚合诱导相分离形成软硬异质结构的设计策略用于高强度柔性离子导体的合成（图1）。同时，体系中存在的阳离子和芳香环之间的短程阳离子-π作用模拟了贻贝足丝蛋白中的阳离子残基(如赖氨酸、精氨酸和组氨酸)和疏水性芳香氨基酸(如酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸)。阳离子-π相互作用是带正电荷的阳离子和带负电荷的π系统电子云之间形成的静电吸引，已被证明在贻贝的强水下附着力中起着至关重要的作用。基于此，得到具有机械强韧性、可湿态黏附的用于柔性传感的防水离子凝胶（图2、图3）。

图1 图文摘要

图2 防水离子凝胶QMBF的设计与合成方案

图3 QMBF的结构和形态分析

当QMBF凝胶受到外力拉伸时，相分离异质结构产生特征性的两相机械响应，刚性域为QMBF提供了机械坚固性，柔性域提供了弹性和可拉伸性（图4）。当与水接触时，水相中阳离子-π之间发生自驱动静电吸引以及疏水链段自聚集产生相分离，破坏了QMBF的表面水化层，实现水下自愈性和水环境中的长期稳定性（图5）。此外，有效的界面排水和网络内部阳离子-π、氢键和离子-偶极等超分子作用赋予基体的强大内聚力，实现了QMBF与各种底物之间出色的水下粘附性（图6）。

图4 QMBF的机械性能及光谱学测试

图5 QMBF-1/1的水下自愈性及水下稳定性

离子液体为QMBF提供了固有的导电性，可以灵敏地监测人体运动和生理活动，在水下作业和通信工程中具有广阔的应用前景（图7、图8）。本研究开发的软离子凝胶导体具有可调节的机械强度和水下粘附性，有望为人类健康监测和水下可穿戴电子设备的设计与制造开辟新的途径。

图6 QMBF-1/1在空气/水下的粘附表现及黏附机理。

图7 QMBF-1/1在空气中的传感性能

图8 QMBF-1/1在水中的传感性能

该工作以“The robustness waterproof ionogel based on the phase separation to form soft hard heterostructures and the interaction of cation-π realizes underwater adhesion and sensing”为题在《Chemical Engineering Journal》期刊发表（Chemical Engineering Journal. 2024, 497, 155046）。论文的第一作者是华南理工大学材料科学与工程学院博士生于宁，华南理工大学材料科学与工程学院张安强教授和华南农业大学材料与能源学院林雅铃副教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和广州市科技计划项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155046

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻