南方科技大学葛锜教授团队《Nature Communications》：高电导率、大变形光固化3D打印离子凝胶
发布日期：2024-08-09
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由于优异的离子导电性、可拉伸性和热稳定性，离子凝胶成为构建离电器件的理想材料。通过合理的结构设计能够显著的提高器件的传感性能。然而，目前离子凝胶结构的加工主要依赖于模板法，这一过程繁琐耗时，限制了结构的几何复杂性。相比之下，基于数字光处理（digital light processing，DLP）的3D打印技术能够实现复杂三维结构的快速成型，因此在制造高精度的离子凝胶微结构方面具有很大的优势。尽管如此，目前开发的光固化离子凝胶在同时获得优异的机械性能和高电导率方面仍面临挑战。
针对这一问题，南方科技大学机械与能源工程系葛锜教授开发了一种高电导率、大变形的光固化离子凝胶。通过光聚合诱导的微相分离策略，离子凝胶内部形成了导电纳米通道和交联聚合物骨架交错分布的双连续相纳米结构，在不牺牲材料力学性能的前提下，将离子凝胶的电导率提高到了3.2 S/m。
相关成果以“Highly Conductive and Stretchable Nanostructured Ionogels for 3D Printing Capacitive Sensors with Superior Performance”为题发表在学术期刊《Nature Communications》上，南方科技大学机械与能源工程系博士研究生何向楠为第一作者，葛锜教授为通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。
研究团队开发了一种具有双连续纳米结构的光固化离子凝胶，在离子传输通道和刚性聚合物嵌段的协同作用下，离子凝胶可同时实现高离子电导率与高机械性能（图1）。离子凝胶表现出优异的导电性（> 3 S/m）、高透明性（可见光区域透过率> 90%）和良好的拉伸性（> 1000%），且迟滞度低（50%应变时迟滞度为0.4%），同时具有良好的热稳定性（-72 ~ 250℃）。
图1. 离子凝胶的制备及双连续相纳米结构表征
离子凝胶前驱体溶液粘度低、光固化速度快，能够很好的适配光固化3D打印系统。研究团队采用摩方精密nanoArch® S130（精度：2 μm）3D打印设备，可以打印出宽度为5 μm的高精度线条，以及特征尺寸为50 μm的复杂三维Gyroid结构，并利用摩方精密microArch® S240（精度：10 μm）3D打印设备打印了大尺寸的Octet truss结构。因为离子凝胶的在宽温度范围内具有良好的稳定性，所以3D打印的离子凝胶结构在高温和低温环境下都能保持良好的导电性和拉伸性（图2）。
图2. 离子凝胶的3D打印
通过有限元模拟，研究团队发现梯度结构可以提高离子凝胶结构的可压缩性，利用摩方精密microArch® S240（精度：10 μm）3D打印设备打印了高精度的梯度半球结构，能够显著增加电极与离子凝胶结构之间的接触面积，可以改善离子电容传感器的灵敏度和线性度（图3）。3D打印离子电容传感器响应时间短，具有良好的机械耐久性，在长期或循环使用中能够保证稳定的信号输出。
图3. 3D打印离子电容传感器的传感机理和性能
3D打印离子传感器具有良好的灵敏度和稳定性，在高温和低温环境下都具有良好的传感性能，将其集成到机械手上，可以在-30°C到150°C的宽温度范围内监测机械手抓取物体过程中的信号变化。由3D打印离子传感器组成的4 × 4传感阵列可精确识别物体的放置方位及物体与传感器之间的接触形状，具有良好的空间分辨率，能够应用于多种传感场景（图4）。
图4. 3D打印离子传感器的应用
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-50797-w
