SmartMat|综述：智能离子凝胶：设计、性能和应用
学术
科技
2024-11-11 11:31
天津
Naiwei Gao, Caofeng Pan. Intelligent ion gels: Design, performance, and applications. SmartMat. 2024; 5:e1215.
https://doi.org/10.1002/smm2.1215
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智能离子凝胶具有高度可调的机械、电和刺激响应特性，已成为人工智能、远程医疗和健康监测领域的有力候选者。为了丰富离子凝胶的功能，探索离子凝胶的结构与功能之间的联系至关重要。本文综述了离子凝胶的合成途径及其功能衍生物的研究进展。讨论了离子凝胶的构象关系，如结构对电导率和传感性能的影响。从刺激反应的角度，探讨了离子凝胶在仿生触觉、神经装置、人工肌肉、智能显示等领域的作用。智能离子凝胶有可能在即将到来的智能时代开辟新的视野，尤其是在当前的挑战得到解决之后。
图 1. (A)基于线性聚合物的离子凝胶。Copyright 2019, Wiley-VCH. (B)基于交联聚合物的离子凝胶。Copyright 2019, Wiley-VCH.图 2. (A)多组分制剂的制备。Copyright 2018, Elsevier. (B)由PILs和凝胶因子组成的离子凝胶。Copyright 2019, American Chemical Society. (C)两种溶液的合成的点击离子凝胶。Copyright 2019, American Association for the Advancement of Science. (D)使用乳液模板法制备的离子凝胶。Copyright 2018, Royal Society of Chemistry.
图 3.(A)含[TFSI]−阴离子的PILs的合成路线。Copyright 2014, Elsevier. (B)环糊精（CDs）接枝聚合物的结构。Copyright 2019, American Chemical Society. (C)聚（阳离子电解质）和聚（阴离子电解质）的静电组装。Copyright 2021, American Chemical Society. (D)凝胶因子由高价阳离子和阴离子组成。Copyright 2019, American Chemical Society. (E)二十二烷基咪唑盐的结构。Copyright 2018, American Chemical Society. (F)氢键拓扑网络的策略说明。Copyright 2019, Elsevier.
图 4. (A)碳纳米管离子凝胶的制备工艺。Copyright 2013, Elsevier. (B) IL-接枝二氧化硅颗粒的结构。Copyright 2007, Royal Society of Chemistry. (C)多氧金属酸盐基离子凝胶的结构。Copyright 2015, Royal Society of Chemistry.图 5. (A)温度对离子对去耦合-耦合的影响机理。Copyright 2020, American Chemical Society. (B)溶胶-凝胶法方案。Copyright 2016, American Chemical Society. (C)低临界溶液温度（LCST）的图示。Copyright 2015, Royal Society of Chemistry. (D)温度对动态共价键的影响机制。Copyright 2018, American Chemical Society. (E)插图上临界溶液温度（UCST）。Copyright 2015, Royal Society of Chemistry. (F)超分子离子凝胶的温度响应。Copyright 2014, American Chemical Society. (G)索莱特效应。Copyright 2022, American Chemical Society.
图 6.(A)发光基团修饰的聚合物骨架。(B)发光基团混合比例对发光光谱的调制。Copyright 2020, American Chemical Society. (C)光热转换机制。Copyright 2022, Wiley-VCH. (D)PILs光响应的机理。Copyright 2019, American Chemical Society. (E)碳纳米管与ILs的相互作用。(F)离子凝胶的光热转换示意图。Copyright 2022, Wiley-VCH.
图 7. (A) pH响应ILs的结构。(B)不同环境下ILs的pH响应。Copyright 1996, Royal Society of Chemistry. (C) pH响应PILs的合成过程。(D)不同pH环境下PIL-CR的吸收光谱。Copyright 2010, Royal Society of Chemistry. (E) pH响应MWCNTs@BSA-MIPILs的结构。Copyright 2016, Elsevier. (F)不同pH环境下pH响应离子凝胶的EMF信号。Copyright 2023, American Chemical Society.图 8.(A)离子温度传感器示意图。(B)离子温度传感器在不同温度下的相对电导率变化。Copyright 2020, American Chemical Society. (C)具有动态共价键的PILs结构。(D)不同温度下动态PILs的相对电导率变化。Copyright 2021, American Chemical Society. (E)热电转换离子凝胶的结构。(F)不同组分离子凝胶的Seeback系数。Copyright 2019, Springer Nature. (G)温度-湿度双模离子传感器示意图。Copyright 2022, Wiley-VCH.
图 9. (A)模拟皮肤完整结构的离子传感器方案和无线传输系统。Copyright 2022, Wiley-VCH. (B)离子压力对微观结构的响应机理。Copyright 2018, Wiley-VCH. (C)脚部检测系统示意图。Copyright 2022, Elsevier. (D)离子传感器阵列的照片。Copyright 2016, Wiley-VCH. (E)高粘附性离子凝胶的展示。Copyright 2021, Wiley-VCH. (F)测量温度-压力双模离子传感器。Copyright 2022, American Chemical Society.图 10. (A)离子栅极晶体管的结构。(B)离子栅极晶体管的响应时间。Copyright 2013, AIP Publishing.95 (C)离子栅极双极晶体管的转移特性曲线。Copyright 2015, American Chemical Society. (D)用于载体运动成像显示的低温微波阻抗显微镜示意图。Copyright 2015, American Chemical Society. (E)离子凝胶对石墨烯等离子体效应的影响。Copyright 2015, Royal Society of Chemistry. (F)离子逻辑器件。Copyright 2018, Wiley-VCH. (G)模拟神经元离子栅极晶体管的结构。Copyright 2017, Elsevier.
图 11.(A)离子人造肌肉结构示意图。Copyright 2011, Royal Society of Chemistry. (B)离子凝胶的电活性机理。Copyright 2018, Elsevier. (C)离子人造肌肉的响应时间。(D) ILs含量对离子人工肌肉位移的影响。(E)离子人工肌肉的反馈过程。Copyright 2022, Wiley-VCH.
图 12. (A)基于BP-poly(viologen)的电致变色离子凝胶的结构。(B)基于TFMFPhV2+的电致变色离子凝胶结构。Copyright 2017, Elsevier. (C) ILs的阳离子对电致变色离子凝胶亮度的影响。Copyright 2016, Royal Society of Chemistry (D) ILs含量对电致变色离子凝胶亮度的影响。Copyright 2020, American Chemical Society. (E)亚像素化电致变色离子凝胶的插图。Copyright 2019,Wiley-VCH.
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作者简介
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Naiwei Gao，2015年毕业于西安电子科技大学先进材料与纳米技术学院，获学士学位。2020年获中国人民大学化学系博士学位。目前在深圳大学物理与光电工程学院从事博士后研究工作。他的研究重点是离子材料的功能衍生及其在高性能柔性电子器件中的应用。
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潘曹峰，2005年获清华大学材料科学与工程学士学位，2010年获博士学位。随后，他以博士后的身份加入了佐治亚理工学院。2013年起任中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所教授、课题组组长。主要研究方向为用于触觉传感的智能电子和光电子器件制造的低维材料。
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