近日，化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院王曉琳副教授課題組在可穿戴離子凝膠柔性傳感器領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以“Nanoscale control of morphologies enables robust and elastic ionogel for sensitive and high-resolution pressure sensing over wide linear range”為題發(fā)表在期刊《Chemical Engineering Journal》（中科院一區(qū)TOP，影響因子13.4）上，2022級研究生郭夢茹為本文第一作者，2020級研究生趙相杰為共同第一作者，王曉琳副教授為唯一通訊作者。
離子凝膠是一種出色的仿生傳感材料，具有高穩(wěn)定性和寬工作溫度范圍等優(yōu)勢，在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力；然而，通過簡單策略實(shí)現(xiàn)理想機(jī)械性能和傳感性能的有效集成仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。基于此，本工作基于相分離策略并利用兩種同源單體在 1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲烷磺酸鹽中共聚，構(gòu)筑了一種高性能離子凝膠，其具有與組織相匹配的柔軟度（楊氏模量<10.7 ± 0.8 kPa）、適當(dāng)?shù)酿じ叫浴?yōu)異的抗壓性（>1 MPa）、回彈性和靈敏穩(wěn)定的傳感性能。通過組分的精細(xì)調(diào)控實(shí)現(xiàn)了納米尺度的微觀形貌調(diào)節(jié)，利用原子力顯微鏡、小角X射線散射等多種表征技術(shù)揭示了微結(jié)構(gòu)從多孔纖維結(jié)構(gòu)到島狀結(jié)構(gòu)，再到雙連續(xù)結(jié)構(gòu)的納米級形貌轉(zhuǎn)變，總結(jié)了微觀形貌對離子凝膠光學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械力學(xué)和導(dǎo)電性能的影響規(guī)律，揭示了相分離程度對離子凝膠納米級結(jié)構(gòu)特征和傳感相關(guān)性能的復(fù)雜調(diào)節(jié)機(jī)制。所制得的離子凝膠易于加工成多種柔性傳感器，能夠精確檢測寬壓力范圍內(nèi)的人體信號，從微小脈沖波到體重等較大壓力信號；該類離子凝膠傳感器展現(xiàn)出低檢測限（8 Pa）、高壓力分辨率（0.055%，人體皮膚分辨率約為7%）、高靈敏度（1.2 kPa–1）和寬線性壓力監(jiān)測范圍（0.008–1000 kPa），在極端壓縮條件下離子凝膠傳感器的響應(yīng)時(shí)間僅數(shù)十毫秒，恢復(fù)時(shí)間約為 20 s。本研究深入探討了離子凝膠納米級微觀形貌與其性能之間的關(guān)聯(lián)，以期通過分級結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)軟物質(zhì)材料功能的方法為未來特定應(yīng)用場景中柔性傳感器的制造提供指導(dǎo)。
該工作得到了山東省高等學(xué)校青創(chuàng)科技支持計(jì)劃和山東省自然科學(xué)基金的資助。
圖1. 離子凝膠的微觀形貌與性能調(diào)控及其多功能傳感應(yīng)用
全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160913
