南方科技大學(xué)葛锜教授團(tuán)隊(duì)：高電導(dǎo)率、大變形光固化3D打印離子凝膠

來(lái)源： PuSL摩方高精密


由于優(yōu)異的離子導(dǎo)電性、可拉伸性和熱穩(wěn)定性，離子凝膠成為構(gòu)建離電器件的理想材料。通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠顯著的提高器件的傳感性能。然而，目前離子凝膠結(jié)構(gòu)的加工主要依賴于模板法，這一過(guò)程繁瑣耗時(shí)，限制了結(jié)構(gòu)的幾何復(fù)雜性。相比之下，基于數(shù)字光處理（digital light processing，DLP）的3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的快速成型，因此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)。盡管如此，目前開發(fā)的光固化離子凝膠在同時(shí)獲得優(yōu)異的機(jī)械性能和高電導(dǎo)率方面仍面臨挑戰(zhàn)。

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開發(fā)了一種高電導(dǎo)率、大變形的光固化離子凝膠。通過(guò)光聚合誘導(dǎo)的微相分離策略，離子凝膠內(nèi)部形成了導(dǎo)電納米通道和交聯(lián)聚合物骨架交錯(cuò)分布的雙連續(xù)相納米結(jié)構(gòu)，在不犧牲材料力學(xué)性能的前提下，將離子凝膠的電導(dǎo)率提高到了3.2 S/m。

相關(guān)成果以“Highly Conductive and Stretchable Nanostructured Ionogels for 3D Printing Capacitive Sensors with Superior Performance”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系博士研究生何向楠為第一作者，葛锜教授為通訊作者，南方科技大學(xué)為論文第一單位。


研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種具有雙連續(xù)納米結(jié)構(gòu)的光固化離子凝膠，在離子傳輸通道和剛性聚合物嵌段的協(xié)同作用下，離子凝膠可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高離子電導(dǎo)率與高機(jī)械性能（圖1）。離子凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)電性（> 3 S/m）、高透明性（可見光區(qū)域透過(guò)率> 90%）和良好的拉伸性（> 1000%），且遲滯度低（50%應(yīng)變時(shí)遲滯度為0.4%），同時(shí)具有良好的熱穩(wěn)定性（-72 ~ 250℃）。

圖1. 離子凝膠的制備及雙連續(xù)相納米結(jié)構(gòu)表征

離子凝膠前驅(qū)體溶液粘度低、光固化速度快，能夠很好的適配光固化3D打印系統(tǒng)。研究團(tuán)隊(duì)采用摩方精密nanoArch® S130（精度：2 μm）3D打印設(shè)備，可以打印出寬度為5 μm的高精度線條，以及特征尺寸為50 μm的復(fù)雜三維Gyroid結(jié)構(gòu)，并利用摩方精密microArch® S240（精度：10 μm）3D打印設(shè)備打印了大尺寸的Octet truss結(jié)構(gòu)。因?yàn)殡x子凝膠的在寬溫度范圍內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性，所以3D打印的離子凝膠結(jié)構(gòu)在高溫和低溫環(huán)境下都能保持良好的導(dǎo)電性和拉伸性（圖2）。

圖2. 離子凝膠的3D打印

通過(guò)有限元模擬，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)梯度結(jié)構(gòu)可以提高離子凝膠結(jié)構(gòu)的可壓縮性，利用摩方精密microArch® S240（精度：10 μm）3D打印設(shè)備打印了高精度的梯度半球結(jié)構(gòu)，能夠顯著增加電極與離子凝膠結(jié)構(gòu)之間的接觸面積，可以改善離子電容傳感器的靈敏度和線性度（圖3）。3D打印離子電容傳感器響應(yīng)時(shí)間短，具有良好的機(jī)械耐久性，在長(zhǎng)期或循環(huán)使用中能夠保證穩(wěn)定的信號(hào)輸出。

圖3. 3D打印離子電容傳感器的傳感機(jī)理和性能

3D打印離子傳感器具有良好的靈敏度和穩(wěn)定性，在高溫和低溫環(huán)境下都具有良好的傳感性能，將其集成到機(jī)械手上，可以在-30°C到150°C的寬溫度范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)機(jī)械手抓取物體過(guò)程中的信號(hào)變化。由3D打印離子傳感器組成的4 × 4傳感陣列可精確識(shí)別物體的放置方位及物體與傳感器之間的接觸形狀，具有良好的空間分辨率，能夠應(yīng)用于多種傳感場(chǎng)景（圖4）。

圖4. 3D打印離子傳感器的應(yīng)用

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https://doi.org/10.1038/s41467-024-50797-w