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南科大软体力学实验室与哈佛大学锁志刚教授团队合作《Adv. Mater.》:具有复杂构型的水凝胶离电器件
2020-10-23  来源:高分子科技

  自电力系统被开发至今的二百多年以来,人类社会普遍使用基于电子传递电信号的各种电子设备。相比之下,自然界亿万年以来一直采用离子作为电信号的传输载体。离子的种类很多,但电子只有一种。虽然离子与电子性质迥异,但两者协同作用的现象在生活中广泛存在,例如脑电/心电/肌电信号的测量、电解质电池、燃料电池、液流电池和超级电容器等。基于离子与电子协同作用从而实现功能的器件统称为离子-电子混合器件或离电器件。近年来,水凝胶作为高透明、可拉伸离子导体被广泛地用于开发各种新型柔性离电器件,并迅速发展成为一个新兴的研究领域。经典的水凝胶离电器件包括透明扬声器、柔性传感器、人造神经、柔性触摸屏等。


  水凝胶离电器件中通常需要采用性能与水凝胶相匹配的透明、可拉伸弹性体作为介电材料(类似于印刷电路板中的导线与绝缘塑料组合)。但是,由于水凝胶含有大量的水而弹性体通常是疏水的,因此,水凝胶与弹性体的集成存在两个难题:1)粘接;2)浸润。关于粘接,由于通常情况下构成水凝胶与弹性体的高分子网络之间没有形成共价键且两者性质相斥,导致界面粘接强度很低,一般低于1 J/m2量级。近年来国内外研究团队针对水凝胶的粘接问题展开了广泛而深入研究,大幅度地提高了水凝胶的粘接性能。其中,水凝胶与弹性体之间的粘接强度已达到1000 J/m2量级;这个数值已经超过了大部分水凝胶材料本身的断裂能。关于浸润,由于水凝胶前驱液的表面能比弹性体的表面能高,导致水凝胶前驱液不能在弹性体表面均匀地铺展开。现有的粘接方法普遍忽略了浸润问题;至今为止报道的水凝胶离电器件的结构大都局限于平面构型。


  鉴于上述情况,研究人员提出了一种既可以实现水凝胶与弹性体之间的高强度粘接,又可以实现水凝胶前驱液在弹性体表面均匀浸润的方法,从而可以通过多步浸涂的工艺制备具有复杂构型的水凝胶离电器件。其中,水凝胶与弹性体之间的高强度粘接通过在水凝胶和弹性体的前驱体溶液中添加硅烷偶联剂,基于硅烷偶联剂缩合生成的化学健实现。均匀浸润则通过在硅烷偶联剂修饰的弹性体表面用同样修饰有硅烷偶联剂的含有亲水高分子链的底涂溶液进行处理,提高弹性体的表面能,同时引入硅烷偶联剂为后续涂层的高强度粘接提供官能团。


图1 具有同轴结构的水凝胶发光纤维A)器件原理图,B) 多步浸涂示意图,C) 截面实物图;D) 发光层扫描电镜图和E) 发光纤维实物图。


  研究人员首先展示了一种具有同轴结构的水凝胶发光纤维,并阐述了器件工作原理、多步浸涂的工艺制备流程,如图1所示。该纤维包含圆柱壳结构的水凝胶和弹性体。可以想象,基于模具的工艺制备这样的器件将面临大发排列3上的挑战。


图2 液滴在不同表面的浸润行为和弹性体表面微观表征


  针对不同液滴在不同基底表面的浸润行为,研究人员测量了接触角随时间的变化,如图2D所示。确实,弹性体前驱液可以在水凝胶表面自发地铺展开,而水则在未处理的弹性体表面形成水珠。但经过底涂工艺处理后,水也可以在弹性体表面铺展开。为了验证底涂工艺处理的效果,研究人员分别对处理过的弹性体表面进行了SEM和XPS表征,如图2E, 2F, 2G所示。实验结果均表明,底涂工艺处理成功地将修饰有硅烷偶联剂的亲水高分子链嫁接到了弹性体表面。


图3 盐析与局部热效应


  随后,研究人员对水凝胶发光纤维的力学与电学性能进行了测试,如图3所示。可以看出,水凝胶发光纤维具有可拉伸、性能稳定等优点。其中,可拉伸性能归功于水凝胶与弹性体材料本身的拉伸性能,而粉末状的电致发光材料分散在弹性体中,不影响器件的变形。力学性能的稳定归功于所使用的水凝胶与弹性体的弹性,以及两者之间的稳定粘接。水凝胶电学性能的稳定归功于水凝胶中所溶解的氯化锂和弹性体封装对于水分流失的抑制;弹性体电学性能的稳定归功于其高分子网络的疏水性能和较高的击穿场强;发光性能的稳定归功于疏水的弹性体对于水分子的隔离。


图4 其他构型的水凝胶电致发光器件


  最后,研究人员展示了几种其他构型的水凝胶电致发光器件,包括一种像素单元可移动的发光阵列,一个具有同轴结构的闭合发光圆环和一个具有笼状结构的发光手提袋,如图4所示。特别地,具有同轴结构的闭合圆环和具有笼状结构的手提袋都很难通过基于模具的工艺制备得到。


  更多详细信息,以及关于具有同轴结构的发光纤维的电路分析、像素单元可移动的发光阵列的驱动电路和分辨率分析等,请参考原文及支撑材料。


  这一研究工作最近发表在Advanced Materials上。论文第一作者兼通讯作者是南方科技大学力学与航空航天工程系助理教授杨灿辉博士;第二作者是程思博博士,曾作为联培博士生在哈佛大学工学院从事研究;第三作者是姚晰博士,现为河南大学教授;第四作者是念国栋博士,现在哈佛大学工学院从事博士后研究;第五作者是刘綦涵博士,现为匹兹堡大学机械工程与材料科学系助理教授;美国科学院、工程院院士、哈佛大学锁志刚教授为论文共同通讯作者。


  论文信息与链接

  Canhui Yang*, Sibo Cheng, Xi Yao, Guodong Nian, Qihan Liu, Zhigang Suo*, Ionotronic luminescent fibers, fabrics, and other configurations, Adv. Mater., 2020.

  DOI: 10.1002/adma.202005545

  https://doi.org/10.1002/adma.202005545


  杨灿辉助理教授与洪伟教授合作,目前已初步搭建起南方科技大学软体力学实验室,同时正在组建新团队,长期招收推免直博生,硕、博士研究生和博士后等;研究方向包括软材料力学,水凝胶器件,界面粘接,新型软材料设计与加工,柔性传感器与驱动器等。欢迎对相关研究方向感兴趣的同学/博士/学者邮件联系:yangch@sustech.edu.cn。请在邮件中做必要的自我介绍。

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(责任编辑:xu)
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