基于相变离子凝胶的柔性可拉伸“离子开关”

离子器件是一个由多学科交叉而成的新领域,基于离子传导的新型柔性离子器件(如可穿戴触控面板、柔性电致发光器件等)极大地丰富了电功能器件的种类,实现了传统电子技术难以甚至不可能实现的功能,为柔性电子、软体机器人的技术革新以及产业化应用提供了新的可能。近年来,柔性离子开关、离子二极管、离子晶体管等得到了有益的尝试和探索,以匹配基于电子传导而开发的各类功能器件。其中,开发具有离子导体-绝缘体转变的可拉伸离子开关器件,可用于下一代柔性传感器、驱动器、控制电路等离子器件,具有重要意义。然而,不同于电子器件的导体-绝缘体转变,实现可拉伸离子器件的导体-绝缘体转变极具挑战,其关键在于离子电导率的变化范围要足够大、变化速度要足够快,同时材料本身拉伸性能足够好。

港中深朱世平、张祺团队AFM:基于相变离子凝胶的柔性可拉伸“离子开关”

图1. 基于“相变离子凝胶”的柔性可拉伸离子开关设计示意图。

基于此,香港中文大学(深圳)理工学院朱世平和张祺团队提出了“相变离子凝胶”的概念,以实现柔性可拉伸离子器件的导体-绝缘体转变。这种相变离子凝胶由柔性高分子基体和相变离子液体组成,其中柔性高分子基体赋予材料优异的拉伸性能,相变离子液体则用以实现离子导体绝-缘体可逆转变。在相转变温度之上,离子在热能的驱动下在高分子网络间可自由迁移,电导率高,为导体;而在相转变温度以下,离子则被“固定”在所形成的晶格中难以自由迁移,电导率低,为绝缘体。离子液体的一级相变提供了大范围的离子电导率变化,同时离子凝胶本身具有优异的可拉伸性能。理论上,组成离子液体的不同阴阳离子组合近乎无数种,使得相变温度可从分子层面精确设计与调控。相变离子凝胶很容易设计成透明器件,可非常方便的用于光学离子器件领域。此外,相变离子凝胶避免了水凝胶的易挥发、不耐高温等问题,因此环境稳定性高。

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图2.相变离子凝胶的合成(a-b)与表征(c-e)

该团队将熔点在室温附近的离子液体1-甲基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺盐(MMITFSI; Tm = 22 ℃)引入到高分子柔性基体丙烯酸丁酯-丙烯酸六氟丁酯共聚物(PBA-co-FBA)中 ,采用光引发聚合成功制备了透明(透光率97%)、柔性可拉伸(拉伸形变840%)的相变离子凝胶。

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图3.柔性可拉伸离子开关的性能(a)和阻抗谱表征(b-e)。

通过电化学阻抗谱的表征,所制备的柔性可拉伸离子开关在-15℃附近发生导体-绝缘体可逆转变,本体离子电导率变化可达7个数量级,同时循环性能良好。进一步将这种相变离子凝胶应用到长储电容中,成功实现了电容能量的智能存储。该方法为设计下一代柔性离子器件提供一种新思路,在柔性离子开关、长储电容等领域显示了潜在的应用。

该研究成果“Stretchable, Phase-Transformable Ionogels with Reversible IonicConductor–Insulator Transition”近期发表在Advanced Functional Materials,香港中文大学(深圳)理工学院明小庆博士和石磊博士为论文共同第一作者,通讯作者为香港中文大学(深圳)理工学院助理教授张祺博士。该工作同时得到了香港中文大学(深圳)朱世平教授的指导与大力支持。

论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202005079

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