東華大學(xué)武培怡團隊《自然·通訊》：一種高透明、可超高拉伸離子凝膠導(dǎo)體

來源：高分子科學(xué)前沿

隨著物聯(lián)網(wǎng)，人工智能和軟機器人等領(lǐng)域的發(fā)展，制備可以模仿人體皮膚的感知能力和力學(xué)性能的多功能傳感器受到越來越多研究者的關(guān)注。皮膚是人體最大的器官。皮膚的觸覺是一種非常復(fù)雜的感覺，其在熱、電以及磁的刺激下都會有相應(yīng)的響應(yīng)。人的皮膚一旦受到外界的刺激會迅速把感應(yīng)信息傳遞給大腦，最后大腦會給人一個反饋的信息。因此，皮膚作為最完美的傳感器受到越來越多研究者的關(guān)注和仿生模擬研究。

在化學(xué)領(lǐng)域里，特定結(jié)構(gòu)的高分子水凝膠就可以模擬人的觸覺，因為其中的載流子就是電子，和人真實皮膚的工作原理非常接近，這也給人類研究模型仿生皮膚提供了一個思路。武培怡教授課題組近年來通過聚丙烯酸和兩性離子聚合物之間的三種分子間非共價相互作用（氫鍵、疏水作用、離子相互作用），實現(xiàn)了多重動態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，制備出透明超分子水凝膠，集合了一系列優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)：包括壓縮回彈性，可大幅拉伸，可自修復(fù)，可在室溫下的任意塑形，并通過電阻和電容的兩種電信號，可以同時感知外界應(yīng)力應(yīng)變和溫度的刺激，實現(xiàn)了仿生人體皮膚的力學(xué)性質(zhì)和感知功能。

但是無論是電子材料還是離子導(dǎo)電材料，導(dǎo)電性容易受高/低溫度，大形變的影響。究其原因主要是導(dǎo)電通路和相鄰的彈性網(wǎng)絡(luò)不相容導(dǎo)致的。近日，東華大學(xué)武培怡教授團隊在導(dǎo)電兩性離子納米通道和動態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)同作用下打破了這一局限性。兩性離子單體3-二甲基（甲基丙烯酰氧基乙基）丙磺酸銨（DMAPS）具有兩性離子通道，同時可以提供氫鍵受體，丙烯酸（PAA）上的羧基可以作為氫鍵的給體，將兩者共聚后，通過添加不同比例的離子液體制備得到一種本征型離子凝膠導(dǎo)體，該導(dǎo)體具有高透明性（透光率> 90％）、超高拉伸（> 10,000％應(yīng)變）、高模量（楊氏模量> 2 MPa）、自愈合等特性，此外能夠在大變形和不同溫度下保持穩(wěn)定的導(dǎo)電性。此外利用Regenovo 3D打印機制備成“感知系統(tǒng)”能夠?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、濕度和不同溶劑做出響應(yīng)。相關(guān)論文以“A highly transparent and ultra-stretchable conductor with stable conductivity during large deformation”為題，發(fā)表在7月31日的《Nature Communications》上，第一作者為雷周玥博士。

全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-11364-w

圖文速遞

圖1.分子協(xié)同設(shè)計。

a. 分子協(xié)同設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖，包括由DFT預(yù)測優(yōu)化的富離子結(jié)構(gòu)以及動態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)；b. 不同離子液體含量的導(dǎo)線的真實拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，應(yīng)變速率為0.17 s-1；c. 可伸縮導(dǎo)體本征SAXS性質(zhì)，內(nèi)嵌圖為AFM相圖(比例尺: 100 nm)；d. PAA、PDMAPS和IL本征導(dǎo)體凝膠在1750–1600 cm−1區(qū)紅外譜圖和相應(yīng)的二階導(dǎo)數(shù)曲線。

圖2.機械性能

a.在不同應(yīng)變速率下，本征型可拉伸導(dǎo)體真應(yīng)力-應(yīng)變曲線；b.小應(yīng)變下，本征型可拉伸導(dǎo)體真應(yīng)力-應(yīng)變曲線；c.不同應(yīng)變速率下，本征型可拉伸導(dǎo)體的楊氏模量；d. 光學(xué)顯微照片記錄了的自愈合過程（比例尺：100μm）e.初始和自愈后導(dǎo)體的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3.3D打印能力、透明度和前人工作的比較。

a.在聚乙烯薄膜上3D打印導(dǎo)體的照片（上圖），兩層VHB彈性體薄膜內(nèi)部3D打印導(dǎo)體的照片（下圖）（比例尺：2 cm）；b.本征型可拉伸導(dǎo)體在可見光區(qū)的透光率（厚度為0.1 mm，波長范圍為400–800nm）;c.本工作與先前報道的本征型可拉伸導(dǎo)體在可拉伸性、模量、自修復(fù)性和3D打印性性能的比較。

圖4.動態(tài)環(huán)境中的電性能。

a.該材料中導(dǎo)電路徑適應(yīng)變形的示意圖，藍線代表離子納米通道，紫色部分代表動態(tài)網(wǎng)絡(luò)；b. 3D打印導(dǎo)體在拉伸-釋放循環(huán)中的照片（比例尺：2 cm）；c.形變過程中離子導(dǎo)電性的穩(wěn)定性；d.−10-100°C溫度范圍內(nèi)離子導(dǎo)電率的相對變化（誤差棒：標(biāo)準(zhǔn)偏差）；e.離子導(dǎo)電率在極端低溫或高溫下的穩(wěn)定性。這些測量時濕度控制為60RH%。

圖5.綜合感知系統(tǒng)。

a. 基于本征型可拉伸導(dǎo)體的3D打印結(jié)構(gòu)、電路原理圖和集成感覺系統(tǒng)的照片（比例尺：2 cm）；b. 感知系統(tǒng)的電容-應(yīng)變循環(huán)曲線；c. 感知系統(tǒng)的電容-壓力循環(huán)曲線；d. 感知系統(tǒng)監(jiān)測機器人手的運動。e.環(huán)境濕度變化（相對濕度，RH）產(chǎn)生的電壓；f. 感知系統(tǒng)可根據(jù)電壓變化感知環(huán)境相對濕度變化（誤差棒：標(biāo)準(zhǔn)偏差）。g.溫度、應(yīng)變共同作用下感知系統(tǒng)的電容響應(yīng)；h.溫度、應(yīng)變共同作用下感知系統(tǒng)的電阻響應(yīng);i.熱噴槍引起電阻信號變化實現(xiàn)感知系統(tǒng)用于檢測環(huán)境溫度

圖6.識別不同的液體分子。

a.用于識別不同液體分子的感知系統(tǒng)電路原理圖；b.3D打印感知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；c.3D打印感知系統(tǒng)的照片（比例尺：2cm）；d. 3D打印感知系統(tǒng)附在機器人手上的照片（比例尺：2cm）；e–i不同液體時的電容響應(yīng)不同：e.水、f.DMF、g.乙醇、h.丙酮、h.正己烷，滴在覆蓋有感知系統(tǒng)的機械手上。