南方科技大學(xué)葛锜教授團(tuán)隊：高電導(dǎo)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(dǎo)電性、可拉伸性和熱穩(wěn)定性，離子凝膠成為構(gòu)建離電器件的理想材料。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠顯著的提高器件的傳感性能。然而，目前離子凝膠結(jié)構(gòu)的加工主要依賴于模板法，這一過程繁瑣耗時，限制了結(jié)構(gòu)的幾何復(fù)雜性。相比之下，基于數(shù)字光處理（digital light processing，DLP）的3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的快速成型，因此在制造高精度的離子凝膠微結(jié)構(gòu)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(jī)械性能和高電導(dǎo)率方面仍面臨挑戰(zhàn)。

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

相關(guān)成果以“Highly Conductive and Stretchable Nanostructured Ionogels for 3D Printing Capacitive Sensors with Superior Performance”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上，南方科技大學(xué)機(jī)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(xué)為論文第一單位。


研究團(tuán)隊開發(fā)了一種具有雙連續(xù)納米結(jié)構(gòu)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(xiàn)高離子電導(dǎo)率與高機(jī)械性能（圖1）。離子凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)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(yīng)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(jié)構(gòu)表征

離子凝膠前驅(qū)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(tuán)隊采用摩方精密nanoArch® S130（精度：2 μm）3D打印設(shè)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(fù)雜三維Gyroid結(jié)構(gòu)，并利用摩方精密microArch® S240（精度：10 μm）3D打印設(shè)備打印了大尺寸的Octet truss結(jié)構(gòu)。因為離子凝膠的在寬溫度范圍內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性，所以3D打印的離子凝膠結(jié)構(gòu)在高溫和低溫環(huán)境下都能保持良好的導(dǎo)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(tuán)隊發(fā)現(xiàn)梯度結(jié)構(gòu)可以提高離子凝膠結(jié)構(gòu)的可壓縮性，利用摩方精密microArch® S240（精度：10 μm）3D打印設(shè)備打印了高精度的梯度半球結(jié)構(gòu)，能夠顯著增加電極與離子凝膠結(jié)構(gòu)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(yīng)時間短，具有良好的機(jī)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(jī)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(jī)械手上，可以在-30°C到150°C的寬溫度范圍內(nèi)監(jiān)測機(jī)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(yīng)用于多種傳感場景（圖4）。

圖4. 3D打印離子傳感器的應(yīng)用

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