陈威/李楠/吉兴香团队《CM》：小面团玩出新花样—受非遗面塑启发的多功能离子面团

导电水凝胶由于导电性好、自修复效率高、可拉伸性强，为柔性应变传感器的应用提供了许多机遇。然而，大多数报道的导电水凝胶仍然存在一些缺陷，例如，极端温度适应性差、易失水且不可回收利用，不能满足长期稳定传感应用的需要。此外，大规模制备时成本高、对环境不友好。因此，使用可降解和可回收的原料制备具有多种功能特性的导电水凝胶仍然是一个挑战。

作为国家级非物质文化遗产的面塑，是以小麦粉、糯米粉、水和甘油为主要原料，加入不同色彩，用简单工具就能捏塑成各种栩栩如生形象的手工技艺。随着时代的发展，面塑工艺品与时俱进，在新时代仍焕发出勃勃生机，具有防潮、耐存放、不易发霉、不易开裂、色彩艳丽、造型优美等特点。受面塑制作工艺的启发，针对传统电子材料不可循环利用的问题，曲阜师范大学陈威副教授、李楠副教授和研究生邱丽媛联合齐鲁工业大学（山东省科学院）生物基材料与绿色造纸国家重点实验室吉兴香教授，将传统面塑与前沿的科学研究相结合，以面粉、水和氯化胆碱/甘油低共熔溶剂（ChCl/Glycerol DES）为原料制备出了一种新型的多功能“离子面团”（Ionic Dough），所制得的离子面团具有高导电性（3.7 mS·cm−1）、良好的耐低温性、持久的保湿性（24天后重量仍保持80%）、可靠的自修复效率（95%）、优异的抗菌性和生物降解性（30天内可完全降解），为新一代绿色电子器件的制备提供了一种新策略。

本工作首先以氯化胆碱为氢键受体，甘油为氢键供体，制备了低共熔溶剂（DES）。再将DES、水、小麦粉和糯米粉通过混合、蒸制、揉捏等传统面塑制作工艺，制备出了多功能的离子面团（图1）。

图1 离子面团的设计及制备流程

研究团队评估了离子面团的抗冻与保水性能（图2）。通过DSC测试了不同低共熔溶剂含量的离子面团的冰点，证明了加入DES可以有效防止冰晶的形成，且随着DES含量的增加，离子面团的抗冻能力增强，在−20 ℃下放置3天后，离子面团仍然保持柔软状态。此外，在室温下（20 ℃，50% RH）放置24天，传统面团由于水分流失裂成碎块，而离子面团仍可保留初始含水量的85%。

图2 离子面团的抗冻性与保水性

图3展示了离子面团的自修复性能。由于分子间氢键的相互作用，离子面团在损伤后可以通过重组非共价氢键进行快速自修复。在光学显微镜下观察离子面团的自修复过程，在没有外界作用的情况下，离子面团在1小时内可以完全修复。通过切割-修复过程中的实时电阻变化和连续阶跃应变测试验证了离子面团的自修复行为，结果表明离子面团具有优异的自修复性能。

图3 离子面团的自修复性

通过使用大肠杆菌（E.coli）和金黄色葡萄球菌（S.aureus），团队对离子面团的抗菌活性进行了评估（图4）。结果表明，相比于传统面团，离子面团表现出出显著的抗菌活性，能够抑制细菌生长。这主要是由于DES中的氯化胆碱作为一种季铵盐，能够破坏带负电荷的细菌外膜，使其内容物渗漏，从而导致细菌死亡。此外，将面团薄片埋在湿润的土壤中，在微生物的作用下该面团可以逐渐降解，并于30天后完全消失，证实了离子面团良好的可降解性能。

图4 离子面团的抗菌性与可降解性

基于优异的导电性，离子面团可作为导体来点亮LED灯泡，还可进一步应用于柔性Cu-Zn电池和电致发光器件。作者测量了含水量对离子面团电导率的影响：当水的含量从0增加到50 wt %时，离子面团的电阻从355 Ω降低到45 Ω，电导率从0.54 mS·cm−1增加到3.7 mS·cm−1。进一步研究了温度对电导率的影响：当温度从−40 ℃增加到100 ℃时，离子面团的电导率从2.8 mS·cm−1增加到4.4 mS·cm−1，表明了离子面团作为柔性电子器件在极端温度下应用的可行性（图5）。

图5 离子面团的导电性

作者将离子面团组装成可穿戴式应变传感器监测人体活动（图6）。由于出色的灵敏度和持久稳定的特点，基于离子面团的可穿戴式应变传感器可以准确记录人体的大应变信号以及小应变信号，即使是在极端温度下也能正常工作。因此，本研究有望提供一种新的、环保且有前途的多功能电子和传感设备的制备策略。

图6 基于离子面团的应变传感器

这项研究以“Engineering Ionic Dough with a Deep Eutectic Solvent: From a Traditional Dough Figurine to Flexible Electronics”为题发表在国际高水平期刊《Chemistry of Materials》上。北京科技大学王晓慧教授给出了很多建设性的指导。感谢国家自然科学基金、山东省自然科学基金、齐鲁工业大学（山东省科学院）生物基材料与绿色造纸国家重点实验室开放基金对本工作的支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c01761

来源：高分子科学前沿-Early View

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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