南科大新型導(dǎo)電離子凝膠，可在不犧牲3D打印性和機(jī)械性能的情況下實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電性

2025年1月12日，南極熊獲悉，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系葛奇教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出一種具有雙連續(xù)納米結(jié)構(gòu)的紫外固化離子凝膠，可在不犧牲3D打印性和機(jī)械性能的情況下實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電性。這一突破性的研究成果已發(fā)表于國(guó)際知名期刊《自然通訊》。

△南科大研究人員在不犧牲材料3D打印性能和機(jī)械性能的情況下實(shí)現(xiàn)了高導(dǎo)電性

在3D打印技術(shù)領(lǐng)域，開發(fā)具有優(yōu)異導(dǎo)電性能的材料一直是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。南科大團(tuán)隊(duì)提出一種光聚合誘導(dǎo)微相分離策略來(lái)制備雙連續(xù)離子凝膠。這些離子凝膠由導(dǎo)電納米通道和交聯(lián)聚合物骨架交織而成。雙連續(xù)結(jié)構(gòu)為離子傳輸提供了有序、連續(xù)的通道。這種方法賦予離子凝膠高導(dǎo)電性，同時(shí)又不犧牲可打印性和機(jī)械性能。所開發(fā)的離子凝膠表現(xiàn)出高離子電導(dǎo)率（超過3 S·m-1）、高拉伸率（超過1500%）、低滯后度（50%應(yīng)變時(shí)為0.4%）和寬溫度范圍的熱穩(wěn)定性（-72~250 ℃）。

△相關(guān)研究題目為“高導(dǎo)電性和可拉伸納米結(jié)構(gòu)離子凝膠，可用于高性能3D打印電容傳感器”（傳送門）

雙連續(xù)納米結(jié)構(gòu)離子凝膠實(shí)現(xiàn)高性能3D打印電容傳感器

由于低粘度和高光反應(yīng)性，雙連續(xù)納米結(jié)構(gòu)離子凝膠非常適合用于DLP 3D打印，能夠以高分辨率打印出高度復(fù)雜的幾何形狀。此外，含有離子凝膠的3D打印結(jié)構(gòu)在寬溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出卓越的變形能力和導(dǎo)電性。如下圖g和h所示，3D打印的八重桁架結(jié)構(gòu)在100℃和-30℃的極端溫度條件下，均展現(xiàn)出了顯著的可變形性。同時(shí)，八重桁架結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性在這些溫度條件下依然保持穩(wěn)定。

雙連續(xù)納米結(jié)構(gòu)離子凝膠的高可打印性不僅允許制造復(fù)雜的幾何形狀，而且可以用于進(jìn)一步提升EDL電容傳感器的電容性能。通過改變CSN離子凝膠層與金屬基電極之間的接觸過程，研究人員為EDL電容傳感器打印出了具有梯度高度的半球形結(jié)構(gòu)，顯著增強(qiáng)了傳感器的靈敏度，并拓寬了壓力響應(yīng)的線性范圍。

△CSN離子凝膠的3D打印

采用3D打印技術(shù)制造的EDL電容式傳感器，具備高靈敏度、高線性度、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)、出色的循環(huán)穩(wěn)定性和寬工作溫度范圍等優(yōu)異的傳感性能。將這些傳感器集成到機(jī)器人夾持器中，可在-30℃至150℃的寬溫度范圍內(nèi)有效感應(yīng)抓取信號(hào)，并在抓取不同物體時(shí)，收集到各種獨(dú)特的信號(hào)組合。此外，研究人員還制作了一個(gè)由4×4個(gè)打印傳感器組成的陣列，用于實(shí)時(shí)高分辨率的壓力映射。

△采用CSN離子凝膠3D打印電容式傳感器的傳感性能

這些特性使得新型離子凝膠非常適合用于高性能的3D打印電容傳感器。該研究不僅為3D打印傳感器的制造提供了新的材料選擇，也為其它需要高導(dǎo)電性與機(jī)械穩(wěn)定性的應(yīng)用開辟了新的可能性

本研究的第一作者為南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系博士生何向南，通訊作者為葛奇教授。