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来自 生命科学 2020-03-17 04:54 的文章
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美研制出可拉伸全透明离子导体

美国哈佛大学一个研究小组29日宣布,他们在实验室中造出了可拉伸且全透明的离子导体,能在一万赫兹以上的频率及一万伏以上的电压下工作。这种离子导体在医学、柔性机器人和柔性光学器件等领域有着广阔的应用前景。

近日,广州中山大学国家光电材料与技术重点实验室科研人员采用简单的溶剂交换策略,制备了由离子j-卡拉胶/聚丙烯酰胺双网络有机水凝胶组成的具有超缓凝性、自愈性和透明的湿度传感器。在有机水凝胶中引入了吸湿乙二醇和甘油,以提高抗干燥和湿度传感能力。有机水凝胶传感器具有前所未有的拉伸性能和良好的传感性能,包括响应速度快和恢复时间短,相对湿度检测范围宽,良好的稳定性和线性度。随着相对湿度从4%提高到90%,Gly-DN传感器的电导提高了543倍以上。此湿度传感器具有足够的灵敏度,可以监测人体呼吸,输出稳定且重复性好。在精细的聚合物网络和二元溶剂中,水分子与包括OH-、SO3-和-NH2在内的大量亲水基团之间形成了氢键,从而提高了敏感性和保湿能力。聚合物链对导电离子传输的阻碍作用是产生传导信号的关键,这被认为是新型传感器的机理。

对于这个已发表在《科学》杂志上的成果,锁志刚说,使用离子导体制作器件,通常会遇到两个困难:一是高电压会引起电化学反应,二是离子比电子大、重,移动速度慢得多,造成离子导体的导电系数要比许多电子导体低很多。他们用绝缘橡胶解决了这两个难题。

图5 EG-DN湿度传感器可在各种机械变形下工作,包括拉伸、弯曲和扭转;EG-DN有机水凝胶的初始脱水状态对其灵敏度的影响;EG-DN传感器的重复性

js金沙国际,研究小组负责人、哈佛大学应用科学与工程学院锁志刚教授在接受新华社记者采访时说,他们用盐水与高分子聚合物网络相结合,做成水凝胶离子导体。在水凝胶里,水使离子导电,聚合物网络提供固体形状。我们的水凝胶像果冻和凉粉,但是可拉伸性极强,可拉伸5倍以上。他们用水凝胶做了一系列器件,包括一个全透明大变形传感器以及一个透明的扬声器,可放各种音量的音乐。

图1 溶剂交换法制备Gly-DN有机水凝胶。图示吸湿性EG/Gly分子通过与水分子形成氢键吸附水分子,提高有机水凝胶的保水性和湿度感知能力。

锁志刚承认,水凝胶作为离子导体有其缺陷,包括水分容易蒸发从而变得干燥等。因此他们下一步计划研制不易挥发的离子导体。此外,他们还计划用离子导体造出柔性机器人的控制元件与生物医学器件。

图4 DN水凝胶和EG/Gly-DN有机水凝胶对RH的动态响应曲线; Gly-DN有机水凝胶对低RH的实时响应。三种传感器的实验结果和线性拟合响应与相对湿度曲线的线性关系。 Gly-DN传感器在三个连续的传感周期内对人体呼吸的动态响应。Gly-DN和EG-DN传感器用于检测人呼吸;有机水凝胶湿度传感原理图。水与卡拉胶、水与PAM 之间形成氢键的示意图。

对于离子导体的意义,锁志刚说,离子导体的多样性将为各种应用提供更多选择。比如,现代医学需要电子器件直接接触皮肤、心脏及大脑,可拉伸、透明且具有生物相容性的离子导体就可能比电子导体更适合。

图2 DN水凝胶和EG/Gly-DN有机水凝胶在不同环境条件下保存控制时间后的形态、重量和阻力变化,展示EG/Gly分子增强水凝胶保水能力的有效性。

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