中科院福建物構(gòu)所：基于離子凝膠彈性體3D打印的自修復(fù)電子皮膚

來源：高分子科技

導(dǎo)電彈性體在人造皮膚、電致發(fā)光器件、可穿戴設(shè)備和微納發(fā)電機(jī)等多功能柔性電子器件領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢。彈性體作為一種新型的導(dǎo)電材料，能夠探測到拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等引起的外界刺激，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電阻、電容、電流等電信號(hào)。目前，大多數(shù)報(bào)道的導(dǎo)電凝膠彈性體主要分為水凝膠基和離子凝膠基兩種。前者因其優(yōu)異的機(jī)械和電氣性能而受到青睞，但由于溶劑容易蒸發(fā)而失去了電子器件的功能。后者主要由離子液體(ILs)組成，盡管具有可忽略不計(jì)的蒸汽壓和非揮發(fā)性，但仍有液體泄漏的危險(xiǎn)。此外，導(dǎo)電添加劑(如:(如導(dǎo)電聚合物、碳基材料、金屬材料)通常被添加到彈性體基體中，以賦予柔性材料卓越的導(dǎo)電性。然而，導(dǎo)電填料的引入伴隨著機(jī)械性能和電氣性能之間的權(quán)衡，因?yàn)檫@兩種性能在材料系統(tǒng)中經(jīng)常是矛盾的。因此，制備一種具有良好穩(wěn)定性、機(jī)械性能和電性能的多功能柔性傳感器仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

圖1. 雙網(wǎng)絡(luò)LFCIg的合成原理及物理性能。

近期，中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所官輪輝研究員團(tuán)隊(duì)基于深度共晶溶劑(DES)的雙網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法，制備了一種性能優(yōu)異的無液體導(dǎo)電離子凝膠(LFCIg)。通過調(diào)整DES中各組分的含量，獲得了具有優(yōu)異性能的導(dǎo)電彈性體，包括優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度(2100%應(yīng)變，同時(shí)保持1.23 MPa斷裂強(qiáng)度)、優(yōu)異的導(dǎo)電性(23.3 mS m-1)和優(yōu)異的3D打印性能。同時(shí)，LFCIg還具有非揮發(fā)性、自愈性等特性，為柔性電子器件的穩(wěn)定性錦上添花。這是迄今為止報(bào)道的性能最全面的無液體離子凝膠之一。此外，基于LFCIg的柔性拉伸應(yīng)變傳感器已被開發(fā)用于識(shí)別機(jī)器人的手勢形式，該傳感器可以快速將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以展示柔性可穿戴設(shè)備的潛在應(yīng)用。有趣的是，具有觸覺感知功能的電子皮膚是通過在柔性電極上原位3D打印傳感器陣列形成。電子皮膚的觸覺感應(yīng)系統(tǒng)展示了其檢測輕微重量物體并識(shí)別由此產(chǎn)生的空間壓力變化的能力�？傊�，材料的優(yōu)異性能和增材制造工藝的靈活應(yīng)用為柔性電子器件在可穿戴和智能方向的發(fā)展提供了廣闊的前景。

圖2 LFCIg的機(jī)械性能和自愈合性能

圖3.基于LFCIg的電阻式傳感器機(jī)電響應(yīng)

圖4.基于微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的3D打印LFCIg制造。

圖5. 基于LFCIg的電容式電子皮膚觸覺傳感系統(tǒng)

該工作以“A Liquid-Free Conducting Ionoelastomer for 3D Printable Multifunctional Self-Healing Electronic Skin with Tactile Sensing Capabilities”為題發(fā)表在《Mater. Horiz.》上。文章第一作者是福州大學(xué)機(jī)械學(xué)院-中科院福建物構(gòu)所聯(lián)合培養(yǎng)博士吳啟銳。通訊作者為中科院福建物構(gòu)所的黃建仁博士和官輪輝研究員。

該工作得到國家自然科學(xué)基金的資助。福州大學(xué)機(jī)械學(xué)院楊曉翔教授對(duì)該研究提供了幫助和指導(dǎo)。

該工作是官輪輝研究員團(tuán)隊(duì)近年來在多功能納米復(fù)合材料的制備及應(yīng)用與柔性可穿戴電子器件的設(shè)計(jì)及制造的相關(guān)研究中取得的進(jìn)展之一。團(tuán)隊(duì)從復(fù)合材料的傳感特性研究及多物理量響應(yīng)機(jī)理分析出發(fā)（J. Mater. Chem. A 2021, 9, 23243.）,通過多尺度的彈性體的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)及規(guī)�；瘋鞲衅麝嚵屑庸ぶ圃扉_發(fā)了一系列可穿戴和功能器件（J. Mater. Chem. A 2023, 4977.；Mater. Horizons., 2023, 10, 1012；Chem. Eng. J. 2022, 454, 140328；Advanced Science, 2023: 2301116），利用先進(jìn)集成工藝實(shí)現(xiàn)了基于柔性功能元件與儲(chǔ)能器件的自供能傳感系統(tǒng)的開發(fā)（Mater. Horizon., 2020, 7, 2085-2096；；J. Mater. Chem. A., 2021, 9, 16345-16358；Adv. Funct. Mater., 2022, 2205708）。


原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D3MH00612C