南方科技大學葛锜教授團隊：高電導率、大變形光固化3D打印離子凝膠

來源： PuSL摩方高精密


由于優(yōu)異的離子導電性、可拉伸性和熱穩(wěn)定性，離子凝膠成為構建離電器件的理想材料。通過合理的結構設計能夠顯著的提高器件的傳感性能。然而，目前離子凝膠結構的加工主要依賴于模板法，這一過程繁瑣耗時，限制了結構的幾何復雜性。相比之下，基于數字光處理（digital light processing，DLP）的3D打印技術能夠實現復雜三維結構的快速成型，因此在制造高精度的離子凝膠微結構方面具有很大的優(yōu)勢。盡管如此，目前開發(fā)的光固化離子凝膠在同時獲得優(yōu)異的機械性能和高電導率方面仍面臨挑戰(zhàn)。

針對這一問題，南方科技大學機械與能源工程系葛锜教授開發(fā)了一種高電導率、大變形的光固化離子凝膠。通過光聚合誘導的微相分離策略，離子凝膠內部形成了導電納米通道和交聯聚合物骨架交錯分布的雙連續(xù)相納米結構，在不犧牲材料力學性能的前提下，將離子凝膠的電導率提高到了3.2 S/m。

相關成果以“Highly Conductive and Stretchable Nanostructured Ionogels for 3D Printing Capacitive Sensors with Superior Performance”為題發(fā)表在學術期刊《Nature Communications》上，南方科技大學機械與能源工程系博士研究生何向楠為第一作者，葛锜教授為通訊作者，南方科技大學為論文第一單位。


研究團隊開發(fā)了一種具有雙連續(xù)納米結構的光固化離子凝膠，在離子傳輸通道和剛性聚合物嵌段的協(xié)同作用下，離子凝膠可同時實現高離子電導率與高機械性能（圖1）。離子凝膠表現出優(yōu)異的導電性（> 3 S/m）、高透明性（可見光區(qū)域透過率> 90%）和良好的拉伸性（> 1000%），且遲滯度低（50%應變時遲滯度為0.4%），同時具有良好的熱穩(wěn)定性（-72 ~ 250℃）。

圖1. 離子凝膠的制備及雙連續(xù)相納米結構表征

離子凝膠前驅體溶液粘度低、光固化速度快，能夠很好的適配光固化3D打印系統(tǒng)。研究團隊采用摩方精密nanoArch® S130（精度：2 μm）3D打印設備，可以打印出寬度為5 μm的高精度線條，以及特征尺寸為50 μm的復雜三維Gyroid結構，并利用摩方精密microArch® S240（精度：10 μm）3D打印設備打印了大尺寸的Octet truss結構。因為離子凝膠的在寬溫度范圍內具有良好的穩(wěn)定性，所以3D打印的離子凝膠結構在高溫和低溫環(huán)境下都能保持良好的導電性和拉伸性（圖2）。

圖2. 離子凝膠的3D打印

通過有限元模擬，研究團隊發(fā)現梯度結構可以提高離子凝膠結構的可壓縮性，利用摩方精密microArch® S240（精度：10 μm）3D打印設備打印了高精度的梯度半球結構，能夠顯著增加電極與離子凝膠結構之間的接觸面積，可以改善離子電容傳感器的靈敏度和線性度（圖3）。3D打印離子電容傳感器響應時間短，具有良好的機械耐久性，在長期或循環(huán)使用中能夠保證穩(wěn)定的信號輸出。

圖3. 3D打印離子電容傳感器的傳感機理和性能

3D打印離子傳感器具有良好的靈敏度和穩(wěn)定性，在高溫和低溫環(huán)境下都具有良好的傳感性能，將其集成到機械手上，可以在-30°C到150°C的寬溫度范圍內監(jiān)測機械手抓取物體過程中的信號變化。由3D打印離子傳感器組成的4 × 4傳感陣列可精確識別物體的放置方位及物體與傳感器之間的接觸形狀，具有良好的空間分辨率，能夠應用于多種傳感場景（圖4）。

圖4. 3D打印離子傳感器的應用

原文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-50797-w