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            東華大學武培怡/侯磊團隊《Adv. Mater.》:鋰鍵和氫鍵協同作用實現無溶劑光子晶體離子彈性體的力學強韌化和傳感可視化
            2023-03-07  來源:高分子科技



              受生物皮膚離子傳導特性的啟發,具有本征可拉伸性的柔性離子導體以離子作為載流子來實現電學信號的傳輸,在人機交互、軟體機器人、醫療健康等領域受到了廣泛關注。除了電學信號輸出,一些動物皮膚(如變色龍)可表現出外界刺激下的顏色切換,呈現了一種可視化的傳感行為,為柔性離子導體的多功能化提供了新思路。


              光子晶體是一類具有介電常數周期性的光學材料,可以反射入射光的特定波長而顯示出結構色。將光子晶體與離子導體結合可得到光子晶體離子導體,是實現具有光學和電學雙重信號輸出柔性離子導體的有效途徑。然而,現有的光子晶體離子導體材料,很難兼顧機械性能、離子電導率和結構色。這是因為:一方面,周期性排列的不同介電材料存在力學難匹配、界面不穩定等問題,使得機械性能與結構色之間存在一定的權衡;另一方面,基于大量溶劑的離子導體,溶劑含量對離子電導率和機械強度的影響也存在此消彼長的關系。


              東華大學武培怡/侯磊研究團隊通過在合適的彈性體基質(聚丙烯酸甲氧基乙酯,PMEA)中引入具有協同效應的鋰鍵氫鍵,構筑了兼有高機械性能、高離子電導率和鮮艷結構色的光子晶體離子彈性體(Photonic Ionic Elastomer, PIE)。其中,鋰離子與PMEA中羰基之間的鋰鍵、二氧化硅納米顆粒(SiNPs)表面的硅羥基與PMEA中醚基之間的氫鍵賦予了PIE高機械性能,斷裂強度可達4.3 MPa,韌性可達8.6 MJ m-3。與此同時,鋰鍵有助于鋰鹽(LiTFSI)的解離,賦予PIE高離子導電性,而氫鍵有助于穩定SiNPs的非緊密堆積,賦予了PIE鮮艷的結構色。在拉伸過程中,PIE的周期性結構和電阻發生變化,可實現同步的光學和電學輸出。此外,基于無溶劑特性,PIE表現出優異的穩定性和耐久性,可以承受極端條件,包括高溫、低溫以及高濕度等。 


            1. PIE的制備


              兩步法制備PIE:首先將SiNPs分散在單體預聚液中,通過原位聚合制備光子晶體彈性體隨后將LiTFSI浸泡的方式引入光子彈性體。鹽在彈性體中沒有明顯聚集,表明LiTFSIPMEA具有良好的相容性。PIE的顏色可通過SiNPs的大小進行調節。 


            2. PIE基本力學和電學性能表征


              光子彈性體中,SiNPs含量增加,材料的斷裂應力和應變都顯著提高,打破了彈性體中機械強度和韌性的沖突。PIE中,LiTFSI含量增加,彈性體的模量和斷裂強度提升,且離子導電率越高,克服了凝膠體系中機械強度與離子電導率的權衡。 


            3. PIE內部分子相互作用的紅外光譜表征


              利用紅外光譜和二維相關光譜進一步驗證了PIEs的內部相互作用,包括Li+C=O之間的鋰鍵,Si-OHC-O-C之間的氫鍵。升溫過程中,與Li+作用形成鋰鍵的C=O并未減少,表明鋰鍵高溫下的穩定性。 


            4. PIE在應變下的同步光學/電學信號輸出


              拉伸過程中,由于觀測方向SiNPs之間距離的變化,PIE結構色呈現紅色-綠色-藍色的轉變。在ε=0%50%之間的反復加載/卸載循環,PIE的反射波長在610520 nm之間穩定切換。由于PIE的離子導電特性,其在固定應變拉伸和循環拉伸過程中產生穩定、可重復的電阻變化;诮Y構色和離子導電性,PIE反射波長和電阻呈現出應變下的同步響應,且具有良好的可逆性,進一步證實了其作為多功能離子皮膚的應用潛力。 


            5. PIEs的傳感應用和濕度響應特性


              由于無溶劑特性,PIE9在高溫(100℃)、低溫(-18℃)和高濕度(90% RH)下表現出穩定的電阻變化和顏色切換。此外,由于LiTFSI的吸濕性,PIE結構色對濕度具有響應性。


              以上研究成果近期以Synergetic Lithium and Hydrogen Bonds Endow Liquid-free Photonic Ionic Elastomer with Mechanical Robustness and Electrical/optical Dual-output為題發表在《Advanced Materialsdoi.org/10.1002/adma.202211342上,論文的第一作者為東華大學化學與化工學院碩士研究生彭磊,通訊作者為武培怡教授和侯磊副研究員。


              該研究工作得到了國家自然科學基金的資助與支持。


              論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202211342

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            (責任編輯:xu)
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