南方科技大学葛锜教授《自然·通讯》：3D打印离子传感器研究最新进展

来源：高分子科学前沿

离子凝胶具有良好的导电性、拉伸性、热稳定性以及电化学稳定性等优异性能，是构建柔性离子电子器件的非常有吸引力的候选材料。引入微结构可以改善离子凝胶的可压缩性，提高传感器的灵敏度。基于数字光处理（digital light processing，DLP）的3D打印技术具有优越的制造精度和较低的加工成本，在制造高精度的离子凝胶微结构方面具有很大的优势。开发具有高导电性和优异力学性能的光固化3D打印离子凝胶对柔性离子电子器件具有重要意义，但是提高离子凝胶的导电性的同时不牺牲离子凝胶的打印性和力学性能是很难实现的。

针对这一问题，南方科技大学机械与能源工程系葛锜教授研究团队基于光诱导的微相分离策略制备了具有双连续纳米结构的离子凝胶，在保证打印精度和力学性能的情况下显著提高了离子凝胶的导电性，通过3D打印技术制备了高性能的离子电容传感器。该研究成果以“Highly Conductive and Stretchable Nanostructured Ionogels for 3D Printing Capacitive Sensors with Superior Performance”为题，发表在Nature Communications期刊上，南方科技大学博士研究生何向楠为论文第一作者，南方科技大学葛锜教授为论文通讯作者。

研究团队开发了一种与DLP高分辨率3D打印兼容的高导电的离子凝胶（highly conductive and stretchable nanostructured ionogels，CSN ionogels），当体系内丙烯酸苄酯（BA）和聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯（PEGMA）含量达到一定比例时，光聚合后离子凝胶内部会形成BA和PEGMA纳米结构域互穿的双连续结构，能够为离子传输提供有序和连续的通道，离子液体可以沿着PEGMA相中的-CH2-O-CH2-链段进行迁移，在不增加离子液体含量的情况下，可以显著提高离子凝胶的电导率，如图1所示。

图1. CSN离子凝胶的制备及双连续相纳米结构表征

研究团队探究了离子液体和交联剂含量对CSN离子凝胶电学、力学和热力学性能的影响，如图2所示，CSN离子凝胶表现出优异的导电性（> 3 S·m-1）、良好的拉伸性（> 1000%），低迟滞性（50%应变时迟滞度为0.4%），同时具有出色的热稳定性（-72 ~ 250℃）。

图2. CSN离子凝胶的电学、力学和热力学性能

CSN离子凝胶前驱体溶液表现出良好的光流变特性，与DLP 3D打印系统兼容，可实现5 μm的高精度打印，允许快速构建各种复杂微结构，3D打印的CSN离子凝胶结构在高温和低温环境下还能保持良好的导电性和拉伸性，如图3所示。

图3. CSN离子凝胶的3D打印

研究团队通过有限元模拟分析了不同微结构的可压缩性和变形能力，设计了一种具有梯度高度的半球结构，可以提高离子凝胶结构的可压缩性，利用该结构制备了双电层（EDL）电容传感器，该传感器在1 ~ 12 kPa范围内表现出良好的线性度和高灵敏度（15.1 kPa-1），如图4所示。

图4. 基于CSN离子凝胶的EDL电容传感器

研究团队探究了3D打印离子电容传感器的传感性能，如图5所示，传感器对刺激响应速度快（~ 20 ms），弛豫时间短，循环初期和循环后期的电容信号基本保持一致，没有明显的波动或漂移，具有良好的机械耐久性。传感器不仅能够准确监测喉部在深呼吸和吞咽过程中的信号变化，还可以准确监测人体的脉搏信号，在医疗健康监测和临床诊断方面具有很大的应用潜力。

图5. 3D打印离子传感器的传感性能

3D打印离子传感器不仅可以作为可穿戴压力传感器件实时监测人体生理信号，将其集成到机械手上，可以根据传感器的电容信号的变化来监测机械手的抓取过程，在超宽工作温度范围内赋予机器人感知能力。设计制备了高分辨率的柔性传感阵列，能够对压力的分布位置和大小做出精准的识别，当穿戴集成传感阵列的手套去握取物体时，每个传感单元都能迅速做出响应，传感阵列能够映射出相应的压力分布。

图6. 3D打印离子传感器的应用

该项研究得到国家自然科学基金、广东省珠江人才计划、深圳市软物质力学与智造重点实验室项目资助。