超弹性、抗冻、抗干的有机凝胶离子导体，用于多模式柔性电子！

以下文章来源于高分子科学前沿 ，作者高分子科学前沿

近年来，随着物联网的迅速崛起，柔性电子器件和可穿戴电子器件引起了人们的极大关注。作为有前途的离子导电柔性材料之一，水凝胶因其透明、可拉伸和离子导电的优点而被广泛研究。然而，传统水凝胶不可避免地面临着由于暴露在环境中时内部水分流失而失去柔性和导电性的问题，这严重限制了其在柔性电子领域的应用。因此，迫切需要探索更多适合柔性/可穿戴电子器件的材料。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、胡卫国研究员等通过在乙二醇-水二元溶剂中进行简单的自聚合反应，设计了一种可拉伸的多功能有机凝胶离子导体（MOIC）。这种有机凝胶不仅具有出色的导电性、柔性、保水性和热稳定性，还表现出超强的应变能力（高达9000%）和防冻能力（低至-30℃），还能在600%的应变下交替加载/卸载1800次循环后，仍保持高的机械稳定性。基于这种MOIC，作者构建了高性能的摩擦纳米发电机（MOIC-TENG），以采集机械能。此外，作者还用其实现了多功能柔性可穿戴传感器，包括应变传感器、压阻传感器和触觉传感器。该MOIC展现了在小型能量采集的TENG和小型人体运动监测的应变/触觉传感器方面的应用前景。该研究以题为“Super-Stretchable, Anti-Freezing, Anti-Drying Organogel Ionic Conductor for Multi-Mode Flexible Electronics”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

【MOIC的制备及特性】

作者通过在乙二醇-水二元溶剂中进行简单的自聚合反应，设计了一种可拉伸的多功能有机凝胶离子导体（MOIC）。MOIC具有良好的拉伸性，在室温下可以拉伸到原来长度的9000%。为进一步研究MOIC的环境适应性，作者将MOIC在室温下放置19小时，研究其抗干燥能力。在整个监测期间，MOIC的形态没有变化，重量仅出现了小幅下降。而对照组的水凝胶则严重失水，重量在19小时内仅有原来重量的一半。这显示了所制备的MOIC具有良好的抗干燥能力和保水性能。由于器件材料在极冷或极热环境中的结构稳定性是决定器件稳定工作的一个关键因素，作者研究了MOIC在宽温度范围内的弹性和伸展性。结果表明，MOIC在不同的温度范围内（从-30到60℃）具有良好的弹性、拉伸性和柔韧性，展现出了良好的抗冻能力和热稳定性。

图1 MOIC的制备过程及其应用示意图

图2 MOIC的基本特性

【MOIC-TENG的输出性能】

由于MOIC表现出超强的拉伸性、抗干燥能力、保水性、抗冻能力和热稳定性，这些优点是能量收集装置和柔性可穿戴电子产品的理想选择。作者用已制备好的MOIC作为TENG的电极，构建了一个接触/分离模式的TENG（MOIC-TENG）。其产生的VOC、ISC、QSC和最大功率密度分别可达160 V、7 µA、60 nC和225 µW cm-2。该MOIC-TENG可以有效地收集机械能并驱动小型商业电子装置，其能先在110 s内以2 Hz的频率对一个2.2 μF的电容器充电，然后在16 s内成功为一个商用电子表供电。此外，在相同的频率下，26个LED被成功点亮。其中使用的MOIC-TENG电极在-20℃下预处理了12小时，这表明即使经历了极低的温度，这种MOIC-TENG仍然可以正常稳定地工作。

图3 MOIC-TENG的输出性能及其应用

【MOIC传感器的应用】

作者基于MOIC实现了一个触觉传感器来识别不同的材料。当MOIC传感器接触到不同的材料时，会产生一个独特的电信号。通过检测这种电信号，可以识别出不同的材料。MOIC还表现出应变/压阻传感的性能，并可用作可穿戴应变传感器和电子皮肤。作者组装了一个压阻传感器阵列，发现由MOIC组装的传感器阵列可以用来实时识别压力位置和压力大小。为进一步评估MOIC在可穿戴电子设备中的传感性能，作者将准备好的MOIC作为电子皮肤来监测各种人体运动，结果成功地实现了对脸颊移动、不同程度的皱眉、吞咽、吹嘴、弯肘、压指、不同程度的弯指的识别。因此，即使MOIC经历了极低的温度，基于其应变/压阻传感特性，制备的MOIC可以作为一种有前途的候选材料，应用于柔性可穿戴设备、电子皮肤和人机界面等领域。

结语：作者通过在乙二醇-水二元溶剂中进行简单的自聚合反应，制备了一种多功能的有机凝胶离子导体（MOIC）。利用这种MOIC，作者构建了高性能的摩擦纳米发电机（MOIC-TENG），以采集机械能。此外，作者还实现了多功能柔性可穿戴传感器，包括应变传感器、压阻传感器和触觉传感器。这项工作展示了一种有前途的候选材料，可用于柔性可穿戴电子设备，如电子皮肤、柔性传感器和人机界面等领域。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202304625

来源：高分子科学前沿

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