氢键增强的具有高灵敏度和稳定自主粘附能力的离子凝胶用作多功能离子皮肤
氢键增强的具有高灵敏度和稳定自主粘附能力的离子凝胶用作多功能离子皮肤
可折叠屏幕手机、柔性机器人、健康管理柔性设备等柔性产品的普及加大了人们对柔性和延展性材料的需求。其中，柔性可穿戴设备极具应用前景，因此一直以来都是科技研发的重点对象。然而，传统的硅基材料难以与生物系统相匹配，这使得制备完全适应生物体的可穿戴设备具有一定的挑战。新兴的电子皮肤和离子皮肤或许是适应可穿戴设备发展的前途性材料。电子皮肤的柔韧性和电导率能够满足应变传感器的基本需求，但是其体系中引入的导电填料会使基体变得不均匀，继而造成信号不稳等问题。相较之下，由可移动离子和聚合物基体组成的离子皮肤具有拉伸性强、电信号传输稳定等优点，在柔性可穿戴设备领域具有优势。例如，水凝胶作为重要的离子皮肤，已被广泛证明能对人体的各种日常运动进行有效检测。然而，水分蒸发依旧是阻碍水凝胶实际应用的一大挑战。近年来的研究发现，由离子液体(ILs)和聚合物网络组成的离子凝胶继承了ILs不挥发性和高热稳定性等优良特点，在极端环境中仍能长期保持稳定，是有效解决水凝胶上述限制的一大可行性方案。然而，聚合物网络中能与基底作用的官能团有限，这使得其粘附能力并不突出。基于此，来自西安石油大学的陈雪莲和明小庆、长安大学的马蕾及他们的团队制备了具有优良灵敏度和自主粘附能力的氨基酸基离子凝胶(PACGx-MBAAy)，考察了该离子凝胶在运动检测等可穿戴电子领域的应用前景。
图1. PACGx-MBAAy、PAAx-MBAAy离子凝胶制备示意图及其力学性能测试（图片来源：ACS Appl. Mater.Interfaces）
首先，研究者通过多步实验成功制备了PACGx-MBAAy、PAAx-MBAAy两种离子凝胶（ACG为N-丙烯酰甘氨酸，AA为丙烯酸，MBAA为N,N'-亚甲基双(丙烯酰胺)，x为ACG或AA的摩尔浓度，y为MBAA比之于ACG的摩尔百分比），并对二者的力学性能进行了对比。如图1所示，得益于体系中存在的多个氢键相互作用，PACG4-MBAA0.05离子凝胶表现出比PAA4-MBAA0.05离子凝胶更强的拉伸强度和韧性。
图2. PACGx-MBAAy离子凝胶的力学性能测试
（图片来源：ACS Appl. Mater.Interfaces）
其次，研究者考察了ACG和MBAA浓度对PACGx-MBAAy离子凝胶力学性能的影响。如图2所示，当保持ACG的含量为4 M不变时，随着MBAA浓度的增加，离子凝胶的断裂应力出现升高后再降低的趋势，表明适当量的交联剂有利于提高网络的力学强度。此外，ACG的浓度增加会提高离子凝胶的抗压强度和抗拉强度，这与ACG含量增加导致的更密集的网络有关。加载-卸载实验进一步证明了该离子凝胶具有优良的抗疲劳性能。
图3. PACG4-MBAA0.05离子凝胶的粘附性能和自愈性能测试
（图片来源：ACS Appl. Mater.Interfaces）
接着，研究者探究了PACG4-MBAA0.05离子凝胶的粘附性能和自愈性能。如图3所示，基于体系中存在的氢键、静电相互作用和偶极子-偶极子相互作用，离子凝胶对聚四氟乙烯(PTFE)、木材、铝、玻璃等基材表现出很强粘附效果，其粘接强度大于等于10 kPa，优于以往报道的大多数离子凝胶。此外，得益于体系中存在的丰富非共价相互作用，该离子凝胶经历24 h即可实现自愈合，由拉伸测得其自愈效率可达到70%。
图4. PACGx-MBAA0.05离子凝胶的电化学性能测试
（图片来源：ACS Appl. Mater.Interfaces）
进一步地，研究者对PACGx-MBAA0.05离子凝胶的电化学性能进行了测试。如图4所示，由于凝胶网络中自由移动的阴阳离子有助于提高离子凝胶的导电性，PACGx-MBAA0.05离子凝胶的电导率值最高可达0.037 S cm-1。此外，由PACG4-MBAA0.05离子凝胶制备的应变传感器，可对小(2-8%)、中(10-70%)和大(100-400%)应变拉伸进行准确测量。该传感器在50%应变下连续进行加载-卸载循环实验后仍能保持稳定的信号输出，表明其具有优良的耐久性。
图5. PACG4-MBAA0.05离子凝胶传感器的传感性能测试
（图片来源：ACS Appl. Mater.Interfaces）
最后，研究者考察了PACG4-MBAA0.05离子凝胶传感器用作人体运动监测器件的潜力。如图5所示，PACG4-MBAA0.05离子凝胶传感器能够对手指0°到90°的弯曲、肘关节弯曲、吞咽等人体常规运动进行准确识别，表明其具有用于可穿戴临床生理状况监测设备的潜力。此外，这种检测器可实现摩斯密码加密、解密和运输效果，再次证明该传感器具有优良的性能。综上所述，该研究制备的离子皮肤具有良好的机械性能和灵敏度，能够对人体运动进行可靠监测。该工作为开发设计具有耐久性和环境稳定性的柔性电子设备提供了思路。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c16195
原文作者：Shuquan Zheng, Xuelian Chen, Kaixiang Shen, Yilong
Cheng, Lei Ma, and Xiaoqing MingDOI: 10.1021/acsami.3c16195