南方科技大學(xué)葛锜教授《自然·通訊》：3D打印離子傳感器研究最新進(jìn)展

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

離子凝膠具有良好的導(dǎo)電性、拉伸性、熱穩(wěn)定性以及電化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，是構(gòu)建柔性離子電子器件的非常有吸引力的候選材料。引入微結(jié)構(gòu)可以改善離子凝膠的可壓縮性，提高傳感器的靈敏度�；�于數(shù)字光處理（digital light processing，DLP）的3D打印技術(shù)具有優(yōu)越的制造精度和較低的加工成本，在制造高精度的離子凝膠微結(jié)構(gòu)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。開(kāi)發(fā)具有高導(dǎo)電性和優(yōu)異力學(xué)性能的光固化3D打印離子凝膠對(duì)柔性離子電子器件具有重要意義，但是提高離子凝膠的導(dǎo)電性的同時(shí)不犧牲離子凝膠的打印性和力學(xué)性能是很難實(shí)現(xiàn)的。

針對(duì)這一問(wèn)題，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系葛锜教授研究團(tuán)隊(duì)基于光誘導(dǎo)的微相分離策略制備了具有雙連續(xù)納米結(jié)構(gòu)的離子凝膠，在保證打印精度和力學(xué)性能的情況下顯著提高了離子凝膠的導(dǎo)電性，通過(guò)3D打印技術(shù)制備了高性能的離子電容傳感器。該研究成果以“Highly Conductive and Stretchable Nanostructured Ionogels for 3D Printing Capacitive Sensors with Superior Performance”為題，發(fā)表在Nature Communications期刊上，南方科技大學(xué)博士研究生何向楠為論文第一作者，南方科技大學(xué)葛锜教授為論文通訊作者。

研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種與DLP高分辨率3D打印兼容的高導(dǎo)電的離子凝膠（highly conductive and stretchable nanostructured ionogels，CSN ionogels），當(dāng)體系內(nèi)丙烯酸芐酯（BA）和聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯（PEGMA）含量達(dá)到一定比例時(shí)，光聚合后離子凝膠內(nèi)部會(huì)形成BA和PEGMA納米結(jié)構(gòu)域互穿的雙連續(xù)結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)殡x子傳輸提供有序和連續(xù)的通道，離子液體可以沿著PEGMA相中的-CH2-O-CH2-鏈段進(jìn)行遷移，在不增加離子液體含量的情況下，可以顯著提高離子凝膠的電導(dǎo)率，如圖1所示。

圖1. CSN離子凝膠的制備及雙連續(xù)相納米結(jié)構(gòu)表征

研究團(tuán)隊(duì)探究了離子液體和交聯(lián)劑含量對(duì)CSN離子凝膠電學(xué)、力學(xué)和熱力學(xué)性能的影響，如圖2所示，CSN離子凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)電性（> 3 S·m-1）、良好的拉伸性（> 1000%），低遲滯性（50%應(yīng)變時(shí)遲滯度為0.4%），同時(shí)具有出色的熱穩(wěn)定性（-72 ~ 250℃）。

圖2. CSN離子凝膠的電學(xué)、力學(xué)和熱力學(xué)性能

CSN離子凝膠前驅(qū)體溶液表現(xiàn)出良好的光流變特性，與DLP 3D打印系統(tǒng)兼容，可實(shí)現(xiàn)5 μm的高精度打印，允許快速構(gòu)建各種復(fù)雜微結(jié)構(gòu)，3D打印的CSN離子凝膠結(jié)構(gòu)在高溫和低溫環(huán)境下還能保持良好的導(dǎo)電性和拉伸性，如圖3所示。

圖3. CSN離子凝膠的3D打印

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)有限元模擬分析了不同微結(jié)構(gòu)的可壓縮性和變形能力，設(shè)計(jì)了一種具有梯度高度的半球結(jié)構(gòu)，可以提高離子凝膠結(jié)構(gòu)的可壓縮性，利用該結(jié)構(gòu)制備了雙電層（EDL）電容傳感器，該傳感器在1 ~ 12 kPa范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的線(xiàn)性度和高靈敏度（15.1 kPa-1），如圖4所示。

圖4. 基于CSN離子凝膠的EDL電容傳感器

研究團(tuán)隊(duì)探究了3D打印離子電容傳感器的傳感性能，如圖5所示，傳感器對(duì)刺激響應(yīng)速度快（~ 20 ms），弛豫時(shí)間短，循環(huán)初期和循環(huán)后期的電容信號(hào)基本保持一致，沒(méi)有明顯的波動(dòng)或漂移，具有良好的機(jī)械耐久性。傳感器不僅能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)喉部在深呼吸和吞咽過(guò)程中的信號(hào)變化，還可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)人體的脈搏信號(hào)，在醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)和臨床診斷方面具有很大的應(yīng)用潛力。

圖5. 3D打印離子傳感器的傳感性能

3D打印離子傳感器不僅可以作為可穿戴壓力傳感器件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體生理信號(hào)，將其集成到機(jī)械手上，可以根據(jù)傳感器的電容信號(hào)的變化來(lái)監(jiān)測(cè)機(jī)械手的抓取過(guò)程，在超寬工作溫度范圍內(nèi)賦予機(jī)器人感知能力。設(shè)計(jì)制備了高分辨率的柔性傳感陣列，能夠?qū)�壓力的分布位置和大小做出精�?zhǔn)的識(shí)別，當(dāng)穿戴集成傳感陣列的手套去握取物體時(shí)，每個(gè)傳感單元都能迅速做出響應(yīng)，傳感陣列能夠映射出相應(yīng)的壓力分布。

圖6. 3D打印離子傳感器的應(yīng)用

該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省珠江人才計(jì)劃、深圳市軟物質(zhì)力學(xué)與智造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目資助。