蘇州大學嚴鋒教授團隊Adv. Mater.:電場誘導梯度離子凝膠，實現高靈敏、寬響應范圍和抗冷/熱傳感器

【引言】

眾所周知，自然生物敏感的觸覺反饋系統能夠快速和準確的反應感知周圍的環境，相反，人造機器和機器人通常對外部刺激缺乏動態反應。為了克服這一限制，許多敏感的智能設備模擬了生物系統的結構和功能，包括可穿戴電子設備，皮膚和軟機器人在內的智能設備可以自動監視物理刺激和化學標記。然而，隨著健康管理、臨床診斷和極端環境監測等領域需求的增加，開發更高靈敏度、更寬范圍響應和抗凍/耐熱新型柔性電子產品的新機制和策略成為關鍵。盡管過去十年在壓力傳感器方面取得了重大進展，但克服局限性以同時實現高靈敏度和更廣泛探測仍然具有挑戰性。為了解決這一問題，目前的策略主要集中在結構設計和優化上，在傳感過程中引入納米結構，以減少初始接觸面積，增加最終接觸面積。盡管這些策略大大提高了檢測范圍，與人類手指傳感能力相比，從2 kPa到1 MPa仍有一個數量級的差距。

離子液體由于其獨特的物理化學性質，如廣泛的工作溫度范圍、不可燃性和高離子電導率、熱穩定性、電化學穩定性和化學穩定性，而受到了廣泛的關注。基于離子液體的離子聚合物凝膠中，小分子離子液體被混合在聚合物網絡中，其顯著特性可以改善聚合物網絡的力學性能。基于離子液體的離子凝膠在柔性電子產品中顯示出巨大的潛力，如能量轉換和存儲設備、晶體管和傳感器等。

鑒于此，蘇州大學嚴鋒教授團隊（通訊作者）受梯度機械楊氏模量分布的啟發，提出了一種電場誘導的陽離子交聯劑遷移策略來制備梯度離子凝膠。由于交聯劑的梯度，離子凝膠在陽極和陰極側之間表現出四個數量級以上的差異，從而使梯度離子凝膠基柔性離電子傳感器，具有更高的靈敏度和更寬的檢測范圍（3×10²~2.5×10⁶?Pa）。此外，由于梯度離子凝膠的優異性能，柔性離子電子傳感器還顯示出良好的長期穩定性（即使在10000次循環后），并在寬溫度范圍（-108至300℃）中具有出色的性能。柔性離子傳感器還可以集成在機械手上，在各種條件下均具有出色的性能。這些吸引人的功能，表明梯度離子凝膠將是智能傳感器在復雜和極端條件下應用的有前途的候選材料。相關研究成果以“Electric-Field-Induced Gradient Ionogels for Highly Sensitive, Broad-Range-Response, and Freeze/Heat-Resistant Ionic Fingers”為題發表在Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一、基于離子液體的梯度離子凝膠的機理和制備方法

（A）人手指皮膚的概述，以及具有相關生物神經受體的人皮膚的分層結構示意圖；

（B）該圖顯示了利用電場感應和溶液置換策略，來制備梯度啟發的梯度離子凝膠的過程。

圖二、陽離子交聯劑的梯度分布

（A）冷凍干燥的梯度離子凝膠從陰極到陽極的橫截面SEM圖像；

（B）通過SEM圖像鑒定的孔徑，從而獲得的梯度離子凝膠的平均孔徑分布的圖；

（C）梯度離子凝膠和均質離子凝膠的Zeta電位測量；

（D）冷凍干燥梯度離子凝膠切片的XPS分析。

圖三、離子凝膠的機械模量梯度

（A）離子膜的機械性能；

（B）通過力調制顯微鏡測量從陰極側到陽極側的梯度離子凝膠的楊氏模量分布；

（C）梯度離子凝膠的循環壓應力-應變疲勞測試；

（D）梯度離子凝膠和均勻離子凝膠的有限元（FEM）模擬。

圖四、梯度離子凝膠的耐熱/防凍性能

（A）30至750℃的熱分解曲線；

（B）梯度離子凝膠在N₂和空氣中，在250℃下的長期耐用性；

（C）原始IL和梯度離子凝膠在-120至30℃之間的DSC圖；

（D）[HMIm][DCA]、DMA和[HMIm][DCA]/DMA的FT-IR光譜；

（E）[HMIm][DCA]、DMA和[HMIm][DCA]/DMA的¹H NMR圖譜；

（F）梯度離子凝膠從-130到250℃的存儲模量(G’)和損耗模量(G’’)。

圖五、基于梯度離子凝膠的柔性離電子傳感器的制造和評估

（A）具有夾層結構的柔性離電子傳感器的示意圖；

（B）壓力響應機制；

（C）離電子傳感器的等效電路模型；

（D，E）大范圍壓力（0~2.5MPa）和窄范圍壓力（0~100kPa）性能，與梯度離子凝膠和均勻離子凝膠離電子傳感器的壓力-電容響應曲線有關；

（F）在重復的機械荷載下，基于梯度離子凝膠的傳感器的時間分辨電容響應；

（G）基于梯度離子凝膠的電容式傳感器的響應時間和復位時間；

（H）羽毛球的光學照片；

（I）相應的壓力峰值圖。

圖六、基于梯度離子凝膠的柔性離電子傳感器的性能

（A）基于梯度離子凝膠的離電子傳感器的壓力-電阻響應曲線；

（B）基于梯度離子凝膠的離電子傳感器的溫度-電阻響應曲線；

（C）不同厚度的梯度離子凝膠的溫度-電阻響應時間；

（D）基于梯度離子凝膠的離電子傳感器在壓力和溫度共同作用下的電容響應；

（E，F）梯度離子凝膠壓力傳感器在靜態彎曲（彎曲角度：60°、90°、120°和180°)和循環彎曲（90°彎曲100次）和長時間高/低溫（200℃/80℃）后的性能。

圖七、離電子傳感器在復雜和極端環境中的性能

（A，B）握住并釋放一個輕便的乒乓球（2.3 g）和一個重啞鈴（2.0 kg）的照片；

（C，D）裝有加熱的金屬球（263℃）和冷干冰（-79℃）的夾持器的照片和熱像圖；

（E）在這些保持和釋放過程中電容信號的變化。

【小結】

綜上所述，本文受人類手指多傳感機制的啟發，開發了一種電場誘導的策略來制備梯度離子凝膠。在外加電場誘導下，從陽極到陰極形成陽離子交聯劑濃度梯度，通過光交聯法進一步固定凝膠，并利用離子液體的溶液位移獲得梯度離子凝膠。由于陽離子交聯劑的梯度，梯度離子凝膠在兩個電極之間表現出模量梯度（甚至具有四個數量級以上的差異）。這些基于梯度離子凝膠的柔性離電子傳感器具有高靈敏度、寬范圍檢測（從300Pa到2.5MPa）和良好的可靠性。此外，基于梯度離子凝膠的離電子傳感器被進一步集成到機械手中，被證明在復雜和極端的傳導中也能執行。這種新的策略為制造梯度材料提供了一條創新的路線，在柔性智能設備和許多其他傳感領域有著廣泛的應用。

文獻鏈接：“Electric-Field-Induced Gradient Ionogels for Highly Sensitive, Broad-Range-Response, and Freeze/Heat-Resistant Ionic Fingers”(Adv. Mater.，2021，10.1002/adma.202008486)

本文由材料人CYM編譯供稿。歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

材料人投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu 。