吉大 Adv. Mater.：機械性能優異、有彈性且可修復的離子凝膠構建高度敏感的超耐用離子皮膚

【背景介紹】

眾所周知，柔性、模仿皮膚的傳感器能夠將各種刺激轉換為電信號，是可穿戴電子器件、人機系統等應用的關鍵組件。其中，離子皮膚（I-皮膚）模仿基于離子傳導的自然皮膚的傳感功能。通常，I-皮膚由可拉伸的離子導電水凝膠和離子凝膠制成，分別是無機鹽水溶液和離子液體溶脹的聚合物網絡。當將I-皮膚用作可靠傳感器時，其應變能力、壓力敏感度和耐用性至關重要。然而，制造同時具有這些優點的I-皮膚仍然面臨著巨大的挑戰。此外，良好的環境穩定性也是I-皮膚長期應用的重要屬性。研究發現，自/可修復材料具有修復機械損傷和恢復功能的能力，從而延長使用壽命并提高其可靠性和耐久性。受天然皮膚啟發，具有足夠離子電導率的I-皮膚具有良好的可修復性和經過精心設計的機械性能，可在各種應變和壓力范圍內實現高靈敏度和長期耐久性。雖然離子導電水凝膠已被廣泛用于制備I-皮膚，但是其傳感性能隨所得水凝膠的脫水而降低。

【成果簡介】

基于此，吉林大學的孫俊奇教授（通訊作者）團隊報道了一種通過將離子液體（ILs）浸入到機械性能優異的poly(urea-urethane)（PU）網絡中，制造出具有優異的可修復性和高靈敏度的超耐用離子皮膚（I-skins）。其中，PU網絡是由結晶的聚（ε-己內酯）和柔性的聚（乙二醇）通過受阻的脲鍵和氫鍵動態交聯組成。利用該設計策略所制備的離子凝膠具有較高的機械強度、良好的彈性，與天然皮膚相似的楊氏模量，并且具有極好的自修復性。基于離子凝膠的I-皮膚在各種應變（0.1-300％）和壓力（0.1-20 kPa）下都表現出高的靈敏度。更重要的是，在10000次不間斷的應變循環中，I-皮膚顯示出高度可重復的電響應。在露天存放200天后，I-皮膚的傳感性能幾乎與剛制備的I-皮膚的感官性能相同。此外，破裂的I-皮膚可以通過在65 °C的溫度下加熱而輕松的自修復，從而恢復了其原始的超耐用傳感性能。研究發現，I-皮膚的長期耐用性是由于ILs的非揮發性、出色的可修復性和精心設計的機械性能。研究成果以題為“Mechanically Robust, Elastic, and Healable Ionogels for Highly Sensitive Ultra-Durable Ionic Skins”發布在國際著名期刊Adv. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、離子凝膠的單體結構和網絡結構
（a）PU網絡的化學結構；

（b）PU-IL離子凝膠的制造過程示意圖；

（c）PU-IL₂離子凝膠的數字圖像及其相應的示意結構。

圖二、離子凝膠的性能測試
（a）PU網絡以及PU-IL₁和PU-IL₂離子凝膠的DSC曲線；

（b）PU-IL₁和PU-IL₂離子凝膠的應力-應變曲線；

（c）PU-IL₂離子凝膠的十次連續的負載-未負載循環；

（d）PU-IL₁離子凝膠的十次連續的負載-未負載循環。

圖三、I-皮膚的性能測試
（a）基于PU-IL₂離子凝膠的I-皮膚的相對電阻變化與應變的關系；

（b）在小應變下，基于PU-IL₂離子凝膠的I-皮膚的相對電阻變化；

（c）在大應變下，基于PU-IL₂離子凝膠的I-皮膚的相對電阻變化；

（d）在5％應變下進行10000次循環時I-皮膚的循環穩定性；

（e）在100％應變下進行1000次循環時I-皮膚的循環穩定性；

（f）在5％應變下于露天存放200天后，I-皮膚進行10000次循環時的循環穩定性。

圖四、I-皮膚的相對電阻隨時間變化，以實時監測各種人體運動
（a）將I-皮膚固定在不同角度彎曲的手指上，相對電阻隨時間的變化；

（b-c）手指和肘部的反復彎曲/未彎曲運動，相對電阻隨時間的變化；

（d）通過將I-皮膚固定在手腕上獲得的脈沖測量值。

圖五、不同狀態下，離子凝膠的性能及其構建的I-皮膚的穩定性
（a）PU-IL₂離子凝膠切成兩半、愈合2 h后、拉伸后的數字圖像；

（b）原始的PU-IL2離子凝膠和PU-IL₂離子凝膠先被切成兩半，后愈合0.5、1、2和3 h后的應力-應變曲線；

（c）在5％應變下進行10000次循環后，愈合后I-皮膚的循環穩定性；

（d）在100％應變下進行1000次循環后，愈合后I-皮膚的循環穩定性。

【小結】

綜上所述，作者報道了通過將ILs注入PU網絡中形成具有高靈敏度的可修復和超耐用的PU-IL₂離子凝膠基I-皮膚。I-皮膚具有機械強度、高彈性，并具有0.42 MPa的楊氏模量，與人體皮膚相似。因此，I-皮膚可以高度靈敏地監測各種應變（0.1-300％）和壓力（0.1-20 kPa）。更重要的是，在露天存儲200天后，I-皮膚在5%的應變和10000次不間斷的應變循環中，表現出高度可靠的響應，表明I-皮膚作為應變傳感器具有超強的耐用性。同時，PU-IL2離子凝膠中的動態HUB和氫鍵賦予I-皮膚出色的損傷自修復能力，可以進一步延長其使用壽命并增強其耐用性。此外，I-皮膚的出色耐用性還歸因于ILs的非揮發性以及PU-IL2離子凝膠的設計良好的機械性能。具有高靈敏度的超耐用I-皮膚對于可穿戴電子器件、入式器件和軟機器人技術非常有用。總之，該研究開發的耐用I-皮膚的設計可以擴展到制造各種高度敏感、可靠和耐用的I-皮膚。同時，該研究提出了一種有效的方法來彌合人造皮膚和真實皮膚之間的差距。

文獻鏈接：Mechanically Robust, Elastic, and Healable Ionogels for Highly Sensitive Ultra-Durable Ionic Skins.（Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202002706）

本文由CQR編譯。

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