【用户成果】生物启发构建的超坚固离子凝胶，用于多模态监测电子设备
文摘
2024-09-19 10:00
上海
柔性混合电子器件广泛应用于人机交互、健康监测、智能传感等领域。由于碳基材料和半导体材料的模量大、透明度低，要制造出舒适、可视的传统电子器件具有挑战性。包括离子凝胶和水凝胶在内的多种离子导电凝胶基材料已被用于开发柔性传感器。水凝胶因其可调节的机械性能和可拉伸性而受到越来越多的研究，但其实际应用因环境稳定性差而受到限制。与水凝胶相比，离子凝胶具有不易燃、不易挥发以及化学、热和电化学稳定性等特点，在传感能量转换和分离方面具有良好的潜力。然而，大多数离子凝胶的机械性能较差，如杨氏模量小(小于 1 MPa)、韧性低(小于 1 MJ/m3)和抗拉强度低(小于 1 MPa)。例如，由离子凝胶制成的摩擦纳米发电机具有很高的强度和抗压性(断裂应力为 5.4 MPa，压缩应力为 5.4 MPa)。此外，刚性离子凝胶(模量>10 兆帕)可用作锂离子电池的申解质，通过抑制锂枝晶的生长和增强抗外部冲击的能力来缓解短路等安全问题。最近，设计化学网络或形成物理交联极大地赋予了离子凝胶优异的机械性能。通过化学反应设计的化学网络可显著提高离子凝胶的强度和耐久性，但高温和催化剂等特定反应条件限制了离子凝胶的加工和应用。相反，物理交联的非共价作用力可以利用离子液体(Ls)与聚合物的结合工具箱(即离子键、H 键、动态共价键、金属配体相互作用、偶极子-偶极子相互作用，甚至范德华力)调节交联点的密度和强度，从而影响离子凝胶的特性和应用。引入这些牺牲键后，离子凝胶中聚合物-离子液体、聚合物-聚合物和离子液体-离子液体的相互作用能会受到很大影响。然而，如何利用这些相互作用来调节聚合过程中的分子构象，从而提高离子凝胶的韧性，仍然是一个严峻的挑战。离子凝胶具有诱人的物理特性和化学结构的无限可调性，是柔性混合电子器件的理想材料然而，离子凝胶必须具有足够的强度，以确保其在各种应用中的耐用性、稳定性和广泛的应变范围，从而使电子系统具有机械顺应性。受皮肤中多相物质分层结构的启发，中国科技大学胡源、宋磊&朱纪欣教授等人通过将具有不同结合能力的聚合物与离子液体原位聚合，形成软硬适中的封闭空间，制造出了几种透明(>90%)和超坚固(拉伸强度>17 MPa、韧性>40 MJ/m3、伸长率~300%)的离子凝胶。这种策略也可应用于其他离子液体和聚合物。此外，所设计的离子凝胶传感器还可用于开发可穿戴智能健康监测系统，该系统能够监测与健康相关的生理信号，如体温、身体震颤、手腕脉搏、呼吸和手势等，以预测和应对紧急情况，这将为可穿戴安全监控技术铺平道路。相关研究以“Bioinspired Ultra-Robust Ionogels Constructed with Soft-Rigid Confinement Space for Multimodal Monitoring Electronics”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。Figure 1. Synthesis of bioinspired ionogels based on the soft and rigid space-confined strategy.Figure 2. Microstructures of P(TA-co-AM)/[EE] and P(DMA-co-AM)/[EE] ionogels.Figure 3. Intrinsic molecular action mechanisms.Figure 4. Mechanical properties and shape memory properties of ionogels.Figure 5. Wearable electronic device for monitoring physiological signals.Figure 6. Wireless electronic device for security monitoring.
总的来说，作者提出了原位软硬空间封闭策略。基于这一策略，作者设计了几种透明和超防尘离子凝胶，并将其应用于无线温度和压力监测电子设备。共聚物离子凝胶的高透明度归因于相对缺乏明显的光散射域，离子凝胶的蜂窝状结构归因于离子液体的空间约束效应，形成了软拓扑支架和硬拓扑聚集体。刚性拓扑聚集体通过牺牲可逆氢键和化学交联来增韧离子凝胶，从而大大提高了离子凝胶的强度。结合已形成的导电通道，软拓扑支架促进了离子的自由传输，大大提高了导电性和延展性。此外，还被用作智能传感器，用于检测人体温度和运动，如手指关节弯曲、手腕弯曲、手指按压、跑步、行走等，并通过无线技术在手机上显示信号，实现安全监控。总之，该研究证明了在共聚物中形成软刚性约束空间以制备具有特定性能的离子凝胶的潜力，这为开发下一代柔性电子器件奠定了基础。Bioinspired Ultra-Robust Ionogels Constructed with Soft-Rigid Confinement Space for Multimodal Monitoring Electronics*本文来源：作者团队，感谢作者团队对本公众号的大力支持！如有侵权，请联系删除，如有冒犯之处敬请见谅!
