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南京大學(xué)張秋紅、賈敘東團(tuán)隊(duì)《Adv. Funct. Mater.》：用于人機(jī)交互系統(tǒng)的低滯后“分子滑輪”離子凝膠
2023-04-23  來源：高分子科技

  近年來基于離子導(dǎo)電型的凝膠材料受到廣泛關(guān)注，這類材料廣泛應(yīng)用于可穿戴傳感器、仿生離子皮膚以及人機(jī)交互等領(lǐng)域。通常來說，用于柔性傳感器件的導(dǎo)電凝膠應(yīng)具有優(yōu)異的力學(xué)性能、較低的力學(xué)滯后性以及良好的離子導(dǎo)電性等特點(diǎn)，以保證其在使用過程中具有穩(wěn)定且快速的電學(xué)響應(yīng)性。


圖1. 基于分子輪滑的低滯后離子凝膠的分子設(shè)計(jì)


  基于這一需求，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院賈敘東教授、張秋紅副教授課題組將分子輪滑（聚輪烷）和離子液體引入到聚丙烯酸酯交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，從而制備出一種兼具優(yōu)異拉伸性、高回彈性的導(dǎo)電離子凝膠（圖1）。由于分子輪滑的引入，材料具有優(yōu)異的拉伸性(應(yīng)變550%)和抗疲勞性能(50%應(yīng)變下10000次循環(huán)拉伸裂紋幾乎不擴(kuò)展)，從而確保傳感器件能夠長期穩(wěn)定的使用；另外，選擇與基體相容性較好的離子液體([BMI]+[TFSI]-)賦予了凝膠優(yōu)異的導(dǎo)電性、粘附性，更重要的是離子液體在一定程度上減少分子輪滑之間由于氫鍵導(dǎo)致的聚集，賦予分子輪滑中的環(huán)糊精更高的滑動(dòng)自由度，從而降低能量耗散，使得離子凝膠表現(xiàn)出較低的滯后性（殘余應(yīng)變~7%）（圖2）。 


圖2. 分子滑輪離子凝膠的力學(xué)、滯后性、抗疲勞和粘附性表征


  研究人員進(jìn)一步表征了離子液體在實(shí)現(xiàn)分子滑輪類材料低滯后特性的機(jī)理。通過紅外光譜、原子力顯微鏡、小角X射線散射和應(yīng)力松弛等表征得出：離子液體的引入能夠有效分散環(huán)糊精聚輪烷在聚丙烯酸酯中的聚集，導(dǎo)致相鄰環(huán)糊精之間的氫鍵作用減少。因此，拉伸過程中聚輪烷上環(huán)糊精滑動(dòng)所帶來的能量耗散也更少，說明環(huán)糊精聚輪烷在滑動(dòng)增韌的同時(shí)并未給體系帶來更多的能量耗散（圖3）。此外，作為柔性傳感材料的基底材料，研究人員還測量了EA-PR-IL-100%離子凝膠的電導(dǎo)率和阻抗。該離子凝膠在1 Hz至100 kHz范圍內(nèi)具有良好的離子電導(dǎo)率（超過0.31 mS·mm-1）。同時(shí)，該離子凝膠在多次循環(huán)拉伸后仍具有穩(wěn)定的應(yīng)變傳感性能。由于該離子凝膠在使用過程中會(huì)與皮膚相接觸，研究人員還評(píng)估了其生物相容性。 


圖3. 相容性離子液體在實(shí)現(xiàn)分子滑輪類材料低滯后性能的機(jī)理表征


  基于EA-PR-IL-100%離子凝膠優(yōu)異的延展性、低滯后性、粘附性和抗疲勞等特性，研究人員設(shè)計(jì)了一款無線控制的快速響應(yīng)人機(jī)交互系統(tǒng)。其中低滯后性的離子凝膠作為柔性傳感單元，在采集手腕運(yùn)動(dòng)信號(hào)時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)較低的信號(hào)采集延遲，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微型小車的快速移動(dòng)控制（圖4）。 


圖4. 基于低滯后離子凝膠的快速響應(yīng)人機(jī)交互系統(tǒng)以及對(duì)微型小車的控制


  相關(guān)成果近日在線發(fā)表于Advanced Functional Materials期刊，論文的第一作者是杜瑞春博士，通訊作者是張秋紅副教授和賈敘東教授。感謝國家自然科學(xué)基金和中央高？蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)的支持。高性能高分子材料與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及配位化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在本研究中給予了支持。南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院的潘力佳教授對(duì)工作給予了大力支持和幫助。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202212888

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