通過多材料3D打印，具有多模式傳感能力的聚電解質(zhì)彈性體離子電子傳感器

作者：Caicong Li, Jianxiang Cheng, YunfengHe, Xiangnan He, Ziyi Xu, Qi Ge & Canhui Yang
單位：南方科技大學(xué)
發(fā)表期刊：Nature Communications

本文利用多材料數(shù)字光固化3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)并制備了一系列基于聚電解質(zhì)彈性體的多模式傳感離電傳感器，包括拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)和組合式傳感器。所用的聚電解質(zhì)彈性體是一種高分子網(wǎng)絡(luò)中含有固定的陰離子或陽(yáng)離子，以及可移動(dòng)的反離子的材料，具備抗離子泄漏的特性。3D打印技術(shù)為器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了極高的靈活性，可以通過精細(xì)的結(jié)構(gòu)編程，實(shí)現(xiàn)傳感器靈敏度的優(yōu)化和調(diào)控。所制備的傳感器具有穩(wěn)定的界面和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，可以感知不同的力學(xué)刺激，且不同傳感通路之間無(wú)信號(hào)串?dāng)_。本文為可拉伸離電傳感器的設(shè)計(jì)、智造與應(yīng)用提供了新的解決方案。

圖 1 多模式傳感能力的聚電解質(zhì)彈性體離子電子傳感器示意圖

研究亮點(diǎn)
多模式感測(cè)能力：傳感器能夠感應(yīng)多種力學(xué)刺激，包括拉伸、壓縮、剪切和扭轉(zhuǎn)。

長(zhǎng)期穩(wěn)定性：利用聚電解質(zhì)彈性體和3D打印技術(shù)，傳感器展現(xiàn)出卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

無(wú)泄漏設(shè)計(jì)：新型傳感器解決了傳統(tǒng)離子傳感器易泄漏的問題，提高了設(shè)備的可靠性。

研究背景
離電器件是一種基于離子與電子協(xié)同作用的器件，具有柔韌性，可拉伸性，光學(xué)透明性和生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工程和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。離電傳感器是離電器件的一種重要類型，可以感知外界的力學(xué)刺激，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，用于人機(jī)交互，智能假肢，生理監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景。然而，現(xiàn)有的離電傳感器由于器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成分易泄漏，導(dǎo)致器件穩(wěn)定性差，傳感功能單一，極大地限制了實(shí)際應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)與制造性能穩(wěn)定且具有多模式傳感能力的離電傳感器具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

所解決的問題
為了解決上述問題，本文利用數(shù)字光固化3D打印技術(shù)，制造具有多模式傳感功能的離子電容器的方法。該方法使用聚電解質(zhì)彈性體（PEE），該材料具有高彈性、高離子導(dǎo)電性、高熱穩(wěn)定性和抗離子泄漏的特性。通過3D打印技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)PEE與介電彈性體（DE）之間的牢固界面粘接，以及對(duì)器件結(jié)構(gòu)的靈活設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)并制造了四種基本的離子電容器，分別用于感知拉伸、壓縮、剪切和扭轉(zhuǎn)等不同的力學(xué)刺激，以及三種組合式的離子電容器，用于感知多種力學(xué)刺激的同時(shí)，避免信號(hào)的相互干擾。本文為可拉伸離子電容器的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用提供了一種新的解決方案，同時(shí)也拓展了多材料3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍。

研究思路與結(jié)果討論

1. 器件制備與特性
本文使用聚電解質(zhì)彈性體(PEE)和介電彈性體(DE)的光固化前驅(qū)體來打印離子電子傳感器。傳感器由兩層PEE與中間DE層組成。PEE由BS與MBA單體共聚合成，聚電解質(zhì)彈性是一種高分子網(wǎng)絡(luò)中含有固定的陰離子或陽(yáng)離子，以及可移動(dòng)的反離子的材料，具備抗離子泄漏的特性。DE選用商業(yè)丙烯酸酯彈性體。通過優(yōu)化離子單體的比例，平衡聚電解質(zhì)材料的力學(xué)性能和電學(xué)性能，從而優(yōu)化傳感器的性能，選取BS與MEA的摩爾比為1:1。

由于離子電子電容傳感器是多層疊層，因此在DE層和PEE層之間建立堅(jiān)固的界面對(duì)于避免界面分層非常重要。在180°剝離測(cè)試中，將3D打印與手動(dòng)組裝的聚電解質(zhì)彈性體/介電彈性體雙層結(jié)構(gòu)的界面粘接強(qiáng)度進(jìn)行了比較。3D打印結(jié)構(gòu)因聚電解質(zhì)彈性體與介電彈性體間形成的共價(jià)鍵和拓?fù)淅p結(jié)而顯示出更強(qiáng)的界面粘接性，其剝離過程中出現(xiàn)的是材料本體的斷裂，粘接強(qiáng)度高達(dá)339.3 J/m2。相反，手動(dòng)組裝的結(jié)構(gòu)因界面較弱，在剝離過程中發(fā)生界面斷裂，粘接能僅為 4.1 J/m2。耐久性測(cè)試顯示，基于聚電解質(zhì)彈性體的電容式傳感器由于沒有離子泄漏，能夠長(zhǎng)期維持穩(wěn)定信號(hào)；而傳統(tǒng)的LiTFSI摻雜離子彈性體傳感器因離子泄漏導(dǎo)致信號(hào)漂移，最終導(dǎo)致短路。

圖 2 聚電解質(zhì)彈性體制備過程

圖 3  3D打印離子電子電容傳感器特性測(cè)試

2. 多模態(tài)傳感能力
作者利用多材料數(shù)字光固化3D打印技術(shù)，一體化設(shè)計(jì)制造基于聚電解質(zhì)彈性體的多模式傳感離電傳感器，包括拉伸、壓縮、剪切和扭轉(zhuǎn)傳感器。拉伸傳感器具有良好的線性響應(yīng)，在單軸拉伸作用下，面積增大，厚度減小，電容增大；由于多材料3D打印實(shí)現(xiàn)了高設(shè)計(jì)和制造靈活性，通過構(gòu)建DE層微結(jié)構(gòu)顯著提高了傳感器的靈敏度，剪切與扭轉(zhuǎn)傳感器的靈敏度也可以通過改變鋒線的形狀與重疊面積進(jìn)行調(diào)整。3D打印技術(shù)為器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了極高的靈活性，可以通過精細(xì)的結(jié)構(gòu)編程，實(shí)現(xiàn)傳感器靈敏度的優(yōu)化和調(diào)控。所制備的傳感器具有穩(wěn)定的界面和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，可以感知不同的力學(xué)刺激，且不同傳感通路之間無(wú)信號(hào)串?dāng)_。

圖 4 拉伸、壓縮、剪切和扭轉(zhuǎn)傳感器性能

圖 5 集成式離電傳感器設(shè)計(jì)與性能

研究總結(jié)
本文利用多材料數(shù)字光固化3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)并制備了一系列基于聚電解質(zhì)彈性體的多模式傳感離電傳感器，包括拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)和組合式傳感器。所用的聚電解質(zhì)彈性體是一種高分子網(wǎng)絡(luò)中含有固定的陰離子或陽(yáng)離子，以及可移動(dòng)的反離子的材料，具備抗離子泄漏的特性。3D打印技術(shù)為器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了極高的靈活性，可以通過精細(xì)的結(jié)構(gòu)編程，實(shí)現(xiàn)傳感器靈敏度的優(yōu)化和調(diào)控。所制備的傳感器具有穩(wěn)定的界面和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，可以感知不同的力學(xué)刺激，且不同傳感通路之間無(wú)信號(hào)串?dāng)_。本文還展示了一個(gè)由四個(gè)剪切傳感器和一個(gè)壓縮傳感器組成的可穿戴遙控單元，并將其連接到一個(gè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，用于遠(yuǎn)程無(wú)線控制無(wú)人機(jī)的飛行。本文為可拉伸離電傳感器的設(shè)計(jì)、智造與應(yīng)用提供了新的解決方案。

原文來源：Polyelectrolyte elastomer-based ionotronic sensors with multi-mode sensing capabilities via multi-material 3D printing. Nat. Commun., 2023, 14, 4853.
https://doi.org/10.1038/s41467-023-40583-5