苏州大学严锋教授团队Adv. Mater.:电场诱导梯度离子凝胶，实现高灵敏、宽响应范围和抗冷/热传感器

原创 CYM 材料人 昨天

【引言】
众所周知，自然生物敏感的触觉反馈系统能够快速和准确的反应感知周围的环境，相反，人造机器和机器人通常对外部刺激缺乏动态反应。为了克服这一限制，许多敏感的智能设备模拟了生物系统的结构和功能，包括可穿戴电子设备，皮肤和软机器人在内的智能设备可以自动监视物理刺激和化学标记。然而，随着健康管理、临床诊断和极端环境监测等领域需求的增加，开发更高灵敏度、更宽范围响应和抗冻/耐热新型柔性电子产品的新机制和策略成为关键。尽管过去十年在压力传感器方面取得了重大进展，但克服局限性以同时实现高灵敏度和更广泛探测仍然具有挑战性。为了解决这一问题，目前的策略主要集中在结构设计和优化上，在传感过程中引入纳米结构，以减少初始接触面积，增加最终接触面积。尽管这些策略大大提高了检测范围，与人类手指传感能力相比，从2 kPa到1 MPa仍有一个数量级的差距。
离子液体由于其独特的物理化学性质，如广泛的工作温度范围、不可燃性和高离子电导率、热稳定性、电化学稳定性和化学稳定性，而受到了广泛的关注。基于离子液体的离子聚合物凝胶中，小分子离子液体被混合在聚合物网络中，其显著特性可以改善聚合物网络的力学性能。基于离子液体的离子凝胶在柔性电子产品中显示出巨大的潜力，如能量转换和存储设备、晶体管和传感器等。
鉴于此，苏州大学严锋教授团队（通讯作者）受梯度机械杨氏模量分布的启发，提出了一种电场诱导的阳离子交联剂迁移策略来制备梯度离子凝胶。由于交联剂的梯度，离子凝胶在阳极和阴极侧之间表现出四个数量级以上的差异，从而使梯度离子凝胶基柔性离电子传感器，具有更高的灵敏度和更宽的检测范围（3×102~2.5×106 Pa）。此外，由于梯度离子凝胶的优异性能，柔性离子电子传感器还显示出良好的长期稳定性（即使在10000次循环后），并在宽温度范围（-108至300℃）中具有出色的性能。柔性离子传感器还可以集成在机械手上，在各种条件下均具有出色的性能。这些吸引人的功能，表明梯度离子凝胶将是智能传感器在复杂和极端条件下应用的有前途的候选材料。相关研究成果以“Electric-Field-Induced Gradient Ionogels for Highly Sensitive, Broad-Range-Response, and Freeze/Heat-Resistant Ionic Fingers”为题发表在Adv. Mater.上。
【图文导读】

图一、基于离子液体的梯度离子凝胶的机理和制备方法

（A）人手指皮肤的概述，以及具有相关生物神经受体的人皮肤的分层结构示意图；
（B）该图显示了利用电场感应和溶液置换策略，来制备梯度启发的梯度离子凝胶的过程。

图二、阳离子交联剂的梯度分布

（A）冷冻干燥的梯度离子凝胶从阴极到阳极的横截面SEM图像；
（B）通过SEM图像鉴定的孔径，从而获得的梯度离子凝胶的平均孔径分布的图；
（C）梯度离子凝胶和均质离子凝胶的Zeta电位测量；
（D）冷冻干燥梯度离子凝胶切片的XPS分析。

图三、离子凝胶的机械模量梯度

（A）离子膜的机械性能；
（B）通过力调制显微镜测量从阴极侧到阳极侧的梯度离子凝胶的杨氏模量分布；
（C）梯度离子凝胶的循环压应力-应变疲劳测试；
（D）梯度离子凝胶和均匀离子凝胶的有限元（FEM）模拟。

图四、梯度离子凝胶的耐热/防冻性能

（A）30至750℃的热分解曲线；
（B）梯度离子凝胶在N2和空气中，在250℃下的长期耐用性；
（C）原始IL和梯度离子凝胶在-120至30℃之间的DSC图；
（D）[HMIm][DCA]、DMA和[HMIm][DCA]/DMA的FT-IR光谱；
（E）[HMIm][DCA]、DMA和[HMIm][DCA]/DMA的1H NMR图谱；
（F）梯度离子凝胶从-130到250℃的存储模量(G’)和损耗模量(G’’)。

图五、基于梯度离子凝胶的柔性离电子传感器的制造和评估

（A）具有夹层结构的柔性离电子传感器的示意图；
（B）压力响应机制；
（C）离电子传感器的等效电路模型；
（D，E）大范围压力（0~2.5MPa）和窄范围压力（0~100kPa）性能，与梯度离子凝胶和均匀离子凝胶离电子传感器的压力-电容响应曲线有关；
（F）在重复的机械荷载下，基于梯度离子凝胶的传感器的时间分辨电容响应；
（G）基于梯度离子凝胶的电容式传感器的响应时间和复位时间；
（H）羽毛球的光学照片；
（I）相应的压力峰值图。

图六、基于梯度离子凝胶的柔性离电子传感器的性能

（A）基于梯度离子凝胶的离电子传感器的压力-电阻响应曲线；
（B）基于梯度离子凝胶的离电子传感器的温度-电阻响应曲线；
（C）不同厚度的梯度离子凝胶的温度-电阻响应时间；
（D）基于梯度离子凝胶的离电子传感器在压力和温度共同作用下的电容响应；
（E，F）梯度离子凝胶压力传感器在静态弯曲（弯曲角度：60°、90°、120°和180°)和循环弯曲（90°弯曲100次）和长时间高/低温（200℃/80℃）后的性能。

图七、离电子传感器在复杂和极端环境中的性能

（A，B）握住并释放一个轻便的乒乓球（2.3 g）和一个重哑铃（2.0 kg）的照片；
（C，D）装有加热的金属球（263℃）和冷干冰（-79℃）的夹持器的照片和热像图；
（E）在这些保持和释放过程中电容信号的变化。
【小结】
综上所述，本文受人类手指多传感机制的启发，开发了一种电场诱导的策略来制备梯度离子凝胶。在外加电场诱导下，从阳极到阴极形成阳离子交联剂浓度梯度，通过光交联法进一步固定凝胶，并利用离子液体的溶液位移获得梯度离子凝胶。由于阳离子交联剂的梯度，梯度离子凝胶在两个电极之间表现出模量梯度（甚至具有四个数量级以上的差异）。这些基于梯度离子凝胶的柔性离电子传感器具有高灵敏度、宽范围检测（从300Pa到2.5MPa）和良好的可靠性。此外，基于梯度离子凝胶的离电子传感器被进一步集成到机械手中，被证明在复杂和极端的传导中也能执行。这种新的策略为制造梯度材料提供了一条创新的路线，在柔性智能设备和许多其他传感领域有着广泛的应用。
文献链接：“Electric-Field-Induced Gradient Ionogels for Highly Sensitive, Broad-Range-Response, and Freeze/Heat-Resistant Ionic Fingers”(Adv. Mater.，2021，10.1002/adma.202008486) 
本文由CYM供稿。
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