东华大学武培怡团队《自然·通讯》：一种高透明、可超高拉伸离子凝胶导体

来源：高分子科学前沿

随着物联网，人工智能和软机器人等领域的发展，制备可以模仿人体皮肤的感知能力和力学性能的多功能传感器受到越来越多研究者的关注。皮肤是人体最大的器官。皮肤的触觉是一种非常复杂的感觉，其在热、电以及磁的刺激下都会有相应的响应。人的皮肤一旦受到外界的刺激会迅速把感应信息传递给大脑，最后大脑会给人一个反馈的信息。因此，皮肤作为最完美的传感器受到越来越多研究者的关注和仿生模拟研究。

在化学领域里，特定结构的高分子水凝胶就可以模拟人的触觉，因为其中的载流子就是电子，和人真实皮肤的工作原理非常接近，这也给人类研究模型仿生皮肤提供了一个思路。武培怡教授课题组近年来通过聚丙烯酸和两性离子聚合物之间的三种分子间非共价相互作用（氢键、疏水作用、离子相互作用），实现了多重动态交联网络，制备出透明超分子水凝胶，集合了一系列优异的力学性质：包括压缩回弹性，可大幅拉伸，可自修复，可在室温下的任意塑形，并通过电阻和电容的两种电信号，可以同时感知外界应力应变和温度的刺激，实现了仿生人体皮肤的力学性质和感知功能。

但是无论是电子材料还是离子导电材料，导电性容易受高/低温度，大形变的影响。究其原因主要是导电通路和相邻的弹性网络不相容导致的。近日，东华大学武培怡教授团队在导电两性离子纳米通道和动态氢键网络协同作用下打破了这一局限性。两性离子单体3-二甲基（甲基丙烯酰氧基乙基）丙磺酸铵（DMAPS）具有两性离子通道，同时可以提供氢键受体，丙烯酸（PAA）上的羧基可以作为氢键的给体，将两者共聚后，通过添加不同比例的离子液体制备得到一种本征型离子凝胶导体，该导体具有高透明性（透光率> 90％）、超高拉伸（> 10,000％应变）、高模量（杨氏模量> 2 MPa）、自愈合等特性，此外能够在大变形和不同温度下保持稳定的导电性。此外利用Regenovo 3D打印机制备成“感知系统”能够实现对应力、应变、温度、湿度和不同溶剂做出响应。相关论文以“A highly transparent and ultra-stretchable conductor with stable conductivity during large deformation”为题，发表在7月31日的《Nature Communications》上，第一作者为雷周玥博士。

全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-11364-w

图文速递

图1.分子协同设计。

a. 分子协同设计结构示意图，包括由DFT预测优化的富离子结构以及动态氢键网络；b. 不同离子液体含量的导线的真实拉伸应力-应变曲线，应变速率为0.17 s-1；c. 可伸缩导体本征SAXS性质，内嵌图为AFM相图(比例尺: 100 nm)；d. PAA、PDMAPS和IL本征导体凝胶在1750–1600 cm−1区红外谱图和相应的二阶导数曲线。

图2.机械性能

a.在不同应变速率下，本征型可拉伸导体真应力-应变曲线；b.小应变下，本征型可拉伸导体真应力-应变曲线；c.不同应变速率下，本征型可拉伸导体的杨氏模量；d. 光学显微照片记录了的自愈合过程（比例尺：100μm）e.初始和自愈后导体的真应力-应变曲线

图3.3D打印能力、透明度和前人工作的比较。

a.在聚乙烯薄膜上3D打印导体的照片（上图），两层VHB弹性体薄膜内部3D打印导体的照片（下图）（比例尺：2 cm）；b.本征型可拉伸导体在可见光区的透光率（厚度为0.1 mm，波长范围为400–800nm）;c.本工作与先前报道的本征型可拉伸导体在可拉伸性、模量、自修复性和3D打印性性能的比较。

图4.动态环境中的电性能。

a.该材料中导电路径适应变形的示意图，蓝线代表离子纳米通道，紫色部分代表动态网络；b. 3D打印导体在拉伸-释放循环中的照片（比例尺：2 cm）；c.形变过程中离子导电性的稳定性；d.−10-100°C温度范围内离子导电率的相对变化（误差棒：标准偏差）；e.离子导电率在极端低温或高温下的稳定性。这些测量时湿度控制为60RH%。

图5.综合感知系统。

a. 基于本征型可拉伸导体的3D打印结构、电路原理图和集成感觉系统的照片（比例尺：2 cm）；b. 感知系统的电容-应变循环曲线；c. 感知系统的电容-压力循环曲线；d. 感知系统监测机器人手的运动。e.环境湿度变化（相对湿度，RH）产生的电压；f. 感知系统可根据电压变化感知环境相对湿度变化（误差棒：标准偏差）。g.温度、应变共同作用下感知系统的电容响应；h.温度、应变共同作用下感知系统的电阻响应;i.热喷枪引起电阻信号变化实现感知系统用于检测环境温度

图6.识别不同的液体分子。

a.用于识别不同液体分子的感知系统电路原理图；b.3D打印感知系统的结构；c.3D打印感知系统的照片（比例尺：2cm）；d. 3D打印感知系统附在机器人手上的照片（比例尺：2cm）；e–i不同液体时的电容响应不同：e.水、f.DMF、g.乙醇、h.丙酮、h.正己烷，滴在覆盖有感知系统的机械手上。