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  聚合物電介質(zhì)作為一種多功能柔性電絕緣體，在電力系統(tǒng)，柔性電子器件和柔性機(jī)器人等各種現(xiàn)代技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。介電的軟材料具有在電場(chǎng)作用下發(fā)生形變的能力，即電驅(qū)動(dòng)響應(yīng)性，其中，介電彈性體已成為“人工肌肉”的代名詞。然而驅(qū)動(dòng)所需的高電壓和及材料較差的機(jī)械可靠性阻礙了其在實(shí)際中的應(yīng)用。提高介電常數(shù)和降低聚合物電介質(zhì)的彈性模量是降低驅(qū)動(dòng)電壓的有效方法。然而，傳統(tǒng)的聚合物電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)偏低，一般小于10。通過(guò)將導(dǎo)電顆粒或高介電常數(shù)陶瓷填充到聚合物中可以有效增加它們的介電常數(shù)，但這些剛性填料也顯著的增加了材料的彈性模量并降低了延展性能。

  另一方面，具有光學(xué)透射功能的聚合物電介質(zhì)已經(jīng)成為新一代柔性顯示器、柔性觸摸屏面板中具有廣大應(yīng)用前景的新興材料，開(kāi)發(fā)具有高光學(xué)透射性質(zhì)的聚合電介質(zhì)已經(jīng)成為時(shí)下的研究熱點(diǎn)。

  近日，西安交通大學(xué)丁書(shū)江教授領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)在自然出版集團(tuán)旗下期刊NPG Asia Materials上發(fā)表了題為“Dielectric gels with ultra-high dielectric constant, low elastic modulus and excellent transparency”的論文。西安交通大學(xué)盧同慶教授以及深圳大學(xué)第一附屬醫(yī)院譚回研究員為共同通訊作者，文章第一作者為西安交通大學(xué)理學(xué)院博士生石磊。該文章被選為期刊亮點(diǎn)文章（Featured article），在網(wǎng)站首頁(yè)（Top page）上進(jìn)行展示。在文章的接收函中,編輯寫(xiě)道“Your paper is considered to be a significant contribution to the field, and we appreciate the opportunity to publish it in this journal”。凝膠是一種含有大量溶劑的三維聚合物網(wǎng)絡(luò)體系，具有高彈性和透明性的特點(diǎn)。

  本研究提出介電凝膠這一新材料體系，將鋰電池電解液中常用的高介電常數(shù)溶劑碳酸丙烯酯（PC）以及碳酸乙烯酯（EC）作為凝膠的溶劑，ACMO作為聚合物單體，制備出的介電凝膠實(shí)現(xiàn)了：超高的介電常數(shù)（30~50），較低的彈性模量（20 KPa~60 KPa）以及優(yōu)異的透明性（99%，100um）。此外，這種介電凝膠顯示出較高的拉伸性（拉伸倍數(shù)約10）和較低的機(jī)械滯后性。電驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)表明，與通用的介電彈性體VHB4905相比，此介電凝膠在相同驅(qū)動(dòng)應(yīng)變下所需的驅(qū)動(dòng)電壓減少了一半。此外，研究人員以介電凝膠為基礎(chǔ)，制備出可以通過(guò)電壓來(lái)快速調(diào)焦的“人工眼球”。

圖1 介電凝膠的基本設(shè)計(jì)和制造過(guò)程。(A) 電介質(zhì)凝膠的示意圖。其中凝膠體系中的聚合物鏈和溶劑均為電介質(zhì)材料。(B) 組成成分： 4-丙烯酰嗎啉單體(ACMO); N，N''-亞甲基雙(丙烯酰胺)交聯(lián)劑，(MBA); 1-羥基環(huán)己基苯基酮光引發(fā)劑;碳酸亞丙酯(PC)和碳酸亞乙酯溶劑(EC)。(C) 介電凝膠的制造過(guò)程： 通過(guò)光引發(fā)聚合在幾分鐘內(nèi)合成凝膠。(D) 用于展現(xiàn)良好拉伸性和高透明度的介電凝膠照片。上圖為未拉伸狀態(tài)的凝膠，下圖為拉伸狀態(tài)的凝膠。

圖2介電凝膠的性能展示，其中聚合物和溶劑含量各自固定在50％質(zhì)量比。(A) 不同交聯(lián)劑含量(與標(biāo)記的單體的摩爾比)的電介質(zhì)凝膠的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。每個(gè)凝膠被拉伸至破裂。(B) 彈性模量(由應(yīng)變?yōu)?0％的應(yīng)力—應(yīng)變曲線計(jì)算)和斷裂應(yīng)變與交聯(lián)劑含量的影響關(guān)系。 (C) 電介質(zhì)凝膠的循環(huán)加載(交聯(lián)劑含量為0.15％)。初始加載循環(huán)設(shè)定為應(yīng)變100％，在加載卸載循環(huán)后，樣本在第二個(gè)循環(huán)中立即重新加載至應(yīng)變300％，然后在第三個(gè)循環(huán)中應(yīng)變500％。(D) 不同體積比PC以及EC / PC溶劑的介電凝膠的介電常數(shù)與測(cè)試頻率的關(guān)系圖。 (E) 不同體積比PC以及EC / PC溶劑的介電凝膠的介電損耗因數(shù)測(cè)試頻率的關(guān)系曲線。 (F)在可見(jiàn)光范圍內(nèi)1mm厚的電介質(zhì)凝膠的透射率測(cè)試。

圖3. (A) 不同材料的介電常數(shù)(測(cè)試頻率，1KHz)于彈性系數(shù)對(duì)比圖。(B) 不同材料的介電常數(shù)(測(cè)試頻率，100KHz)于透明度對(duì)比圖。

圖4. (A）介電凝膠(左)和VHB 4905(右)的電壓誘發(fā)變形。兩種材料具有相同的原始直徑和厚度。(B) 80％聚合物含量的電介質(zhì)凝膠在室溫下的施加電壓函數(shù)的應(yīng)變幅度圖。(C) 室溫下不同聚合物含量的介電凝膠的施加電壓函數(shù)的應(yīng)變幅度圖。(D) 由介電凝膠制備的生物感應(yīng)隧道透鏡展示。透鏡的焦距可以通過(guò)改變施加的電壓來(lái)調(diào)節(jié)。

  該工作成功設(shè)計(jì)并合成出一種新型的聚合物基介電材料。制備出超高介電常數(shù)，低彈性模量和優(yōu)異透明度三種特性的凝膠材料。并且此凝膠呈現(xiàn)出高拉伸性(拉伸約為10)，低機(jī)械滯后的特性。此外作者還通過(guò)制造一個(gè)簡(jiǎn)易的生物激發(fā)可調(diào)透鏡展示出此介電凝膠的使用，其焦距可以通過(guò)改變所施加的電壓來(lái)調(diào)節(jié)。介電凝膠能夠?yàn)檐洐C(jī)器人，傳感器，電子設(shè)備，光學(xué)設(shè)備以及仿生學(xué)設(shè)備提供了廣闊的應(yīng)用前景。

  本研究由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：51773165, 61704096），中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（xjj2015119）和深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)(JCYJ 20170817171930009)資助。

團(tuán)隊(duì)介紹

丁書(shū)江，1978年生于黑龍江省哈爾濱市，理學(xué)院教授。教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才”，陜西省“青年科技新星”。研究工作涉及電化學(xué)儲(chǔ)能材料與器件、電活性聚合物等，包括聚合物電解質(zhì)、固態(tài)電池、水系電池、鋰硫電池、鋰/鈉離子電池、超級(jí)電容器、電催化等。以第一作者或者通訊作者身份在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Energy Storage Mater., Chem. Mater., Chem. Commun., J. Mater. Chem A, Nanoscale等期刊上發(fā)表論文百余篇，其中14篇論文入選“基本科學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)（ESI）”高被引論文，1篇論文入選ESI Hot Paper。并擔(dān)任多個(gè)著名國(guó)際學(xué)術(shù)期刊的審稿人。在研項(xiàng)目包括國(guó)家自然科學(xué)基金面上和青年項(xiàng)目，博士點(diǎn)基金、陜西省基金等。

  近年來(lái)，丁書(shū)江教授課題組在電功能聚合物以及納米能源材料的研究方向開(kāi)展了比較系統(tǒng)的工作，并且取得了一系列具有影響力的進(jìn)展。相關(guān)成果相繼發(fā)表在：

Nature Communications, 2018, doi: 10.1038/s41467-018-05165-w

Journal of Membrane Science, 2018, 563, 277-283

Energy Storage Materials, doi: 10.1016/j.ensm.2018.05.019.

Journal of Materials Chemistry A, 2018, DOI: 10.1039/C8TA03799J.

Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5, 8062.

Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5, 17963.

ACS applied materials & interfaces, 2017, 5, 4597.

Electrochimica Acta, 2017, 230, 181.

Nano Energy, 2016, 27, 457.

ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 7 (43), 23885.

Journal of Power Sources, 2016, 303, 22.

Nano Energy, 2015, 16, 152.

Nano Energy, 2015, 12, 538.

Energy & Environmental Science, 2015, 8, 1707.

Angewandte Chemie International Edition, 2014, 53, 12803.

Nanoscale, 2014, 6, 5746.

Advanced Energy Materials, 2014, 4, 1400902

  文章鏈接

  Lei Shi, Ruisen Yang, Shiyao Lu, Kun Jia, Chunhui Xiao, Tongqing Lu*, Tiejun Wang, Wei Wei, Hui Tan*, Shujiang Ding*. NPG Asia Materials, 2018, doi:10.1038/s41427-018-0077-7 (2018).

  https://www.nature.com/articles/s41427-018-0077-7