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  自電力系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)至今的二百多年以來(lái)，人類(lèi)社會(huì)普遍使用基于電子傳遞電信號(hào)的各種電子設(shè)備。相比之下，自然界億萬(wàn)年以來(lái)一直采用離子作為電信號(hào)的傳輸載體。離子的種類(lèi)很多，但電子只有一種。雖然離子與電子性質(zhì)迥異，但兩者協(xié)同作用的現(xiàn)象在生活中廣泛存在，例如腦電/心電/肌電信號(hào)的測(cè)量、電解質(zhì)電池、燃料電池、液流電池和超級(jí)電容器等。基于離子與電子協(xié)同作用從而實(shí)現(xiàn)功能的器件統(tǒng)稱(chēng)為離子-電子混合器件或離電器件。近年來(lái)，水凝膠作為高透明、可拉伸離子導(dǎo)體被廣泛地用于開(kāi)發(fā)各種新型柔性離電器件，并迅速發(fā)展成為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域。經(jīng)典的水凝膠離電器件包括透明揚(yáng)聲器、柔性傳感器、人造神經(jīng)、柔性觸摸屏等。

  水凝膠離電器件中通常需要采用性能與水凝膠相匹配的透明、可拉伸彈性體作為介電材料（類(lèi)似于印刷電路板中的導(dǎo)線與絕緣塑料組合）。但是，由于水凝膠含有大量的水而彈性體通常是疏水的，因此，水凝膠與彈性體的集成存在兩個(gè)難題：1）粘接；2）浸潤(rùn)。關(guān)于粘接，由于通常情況下構(gòu)成水凝膠與彈性體的高分子網(wǎng)絡(luò)之間沒(méi)有形成共價(jià)鍵且兩者性質(zhì)相斥，導(dǎo)致界面粘接強(qiáng)度很低，一般低于1 J/m²量級(jí)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)水凝膠的粘接問(wèn)題展開(kāi)了廣泛而深入研究，大幅度地提高了水凝膠的粘接性能。其中，水凝膠與彈性體之間的粘接強(qiáng)度已達(dá)到1000 J/m²量級(jí)；這個(gè)數(shù)值已經(jīng)超過(guò)了大部分水凝膠材料本身的斷裂能。關(guān)于浸潤(rùn)，由于水凝膠前驅(qū)液的表面能比彈性體的表面能高，導(dǎo)致水凝膠前驅(qū)液不能在彈性體表面均勻地鋪展開(kāi)�，F(xiàn)有的粘接方法普遍忽略了浸潤(rùn)問(wèn)題；至今為止報(bào)道的水凝膠離電器件的結(jié)構(gòu)大都局限于平面構(gòu)型。

  鑒于上述情況，研究人員提出了一種既可以實(shí)現(xiàn)水凝膠與彈性體之間的高強(qiáng)度粘接，又可以實(shí)現(xiàn)水凝膠前驅(qū)液在彈性體表面均勻浸潤(rùn)的方法，從而可以通過(guò)多步浸涂的工藝制備具有復(fù)雜構(gòu)型的水凝膠離電器件。其中，水凝膠與彈性體之間的高強(qiáng)度粘接通過(guò)在水凝膠和彈性體的前驅(qū)體溶液中添加硅烷偶聯(lián)劑，基于硅烷偶聯(lián)劑縮合生成的化學(xué)健實(shí)現(xiàn)。均勻浸潤(rùn)則通過(guò)在硅烷偶聯(lián)劑修飾的彈性體表面用同樣修飾有硅烷偶聯(lián)劑的含有親水高分子鏈的底涂溶液進(jìn)行處理，提高彈性體的表面能，同時(shí)引入硅烷偶聯(lián)劑為后續(xù)涂層的高強(qiáng)度粘接提供官能團(tuán)。

圖1 具有同軸結(jié)構(gòu)的水凝膠發(fā)光纖維A)器件原理圖，B) 多步浸涂示意圖，C) 截面實(shí)物圖；D) 發(fā)光層掃描電鏡圖和E) 發(fā)光纖維實(shí)物圖。

  研究人員首先展示了一種具有同軸結(jié)構(gòu)的水凝膠發(fā)光纖維，并闡述了器件工作原理、多步浸涂的工藝制備流程，如圖1所示。該纖維包含圓柱殼結(jié)構(gòu)的水凝膠和彈性體�？梢韵胂�，基于模具的工藝制備這樣的器件將面臨技術(shù)上的挑戰(zhàn)。

圖2 液滴在不同表面的浸潤(rùn)行為和彈性體表面微觀表征

  針對(duì)不同液滴在不同基底表面的浸潤(rùn)行為，研究人員測(cè)量了接觸角隨時(shí)間的變化，如圖2D所示。確實(shí)，彈性體前驅(qū)液可以在水凝膠表面自發(fā)地鋪展開(kāi)，而水則在未處理的彈性體表面形成水珠。但經(jīng)過(guò)底涂工藝處理后，水也可以在彈性體表面鋪展開(kāi)。為了驗(yàn)證底涂工藝處理的效果，研究人員分別對(duì)處理過(guò)的彈性體表面進(jìn)行了SEM和XPS表征，如圖2E, 2F, 2G所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，底涂工藝處理成功地將修飾有硅烷偶聯(lián)劑的親水高分子鏈嫁接到了彈性體表面。

圖3 鹽析與局部熱效應(yīng)

  隨后，研究人員對(duì)水凝膠發(fā)光纖維的力學(xué)與電學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，如圖3所示�？梢钥闯�，水凝膠發(fā)光纖維具有可拉伸、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。其中，可拉伸性能歸功于水凝膠與彈性體材料本身的拉伸性能，而粉末狀的電致發(fā)光材料分散在彈性體中，不影響器件的變形。力學(xué)性能的穩(wěn)定歸功于所使用的水凝膠與彈性體的彈性，以及兩者之間的穩(wěn)定粘接。水凝膠電學(xué)性能的穩(wěn)定歸功于水凝膠中所溶解的氯化鋰和彈性體封裝對(duì)于水分流失的抑制；彈性體電學(xué)性能的穩(wěn)定歸功于其高分子網(wǎng)絡(luò)的疏水性能和較高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)；發(fā)光性能的穩(wěn)定歸功于疏水的彈性體對(duì)于水分子的隔離。

圖4 其他構(gòu)型的水凝膠電致發(fā)光器件

  最后，研究人員展示了幾種其他構(gòu)型的水凝膠電致發(fā)光器件，包括一種像素單元可移動(dòng)的發(fā)光陣列，一個(gè)具有同軸結(jié)構(gòu)的閉合發(fā)光圓環(huán)和一個(gè)具有籠狀結(jié)構(gòu)的發(fā)光手提袋，如圖4所示。特別地，具有同軸結(jié)構(gòu)的閉合圓環(huán)和具有籠狀結(jié)構(gòu)的手提袋都很難通過(guò)基于模具的工藝制備得到。

  更多詳細(xì)信息，以及關(guān)于具有同軸結(jié)構(gòu)的發(fā)光纖維的電路分析、像素單元可移動(dòng)的發(fā)光陣列的驅(qū)動(dòng)電路和分辨率分析等，請(qǐng)參考原文及支撐材料。

  這一研究工作最近發(fā)表在Advanced Materials上。論文第一作者兼通訊作者是南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天工程系助理教授楊燦輝博士；第二作者是程思博博士，曾作為聯(lián)培博士生在哈佛大學(xué)工學(xué)院從事研究；第三作者是姚晰博士，現(xiàn)為河南大學(xué)教授；第四作者是念國(guó)棟博士，現(xiàn)在哈佛大學(xué)工學(xué)院從事博士后研究；第五作者是劉綦涵博士，現(xiàn)為匹茲堡大學(xué)機(jī)械工程與材料科學(xué)系助理教授；美國(guó)科學(xué)院、工程院院士、哈佛大學(xué)鎖志剛教授為論文共同通訊作者。

  論文信息與鏈接

  Canhui Yang*, Sibo Cheng, Xi Yao, Guodong Nian, Qihan Liu, Zhigang Suo*, Ionotronic luminescent fibers, fabrics, and other configurations, Adv. Mater., 2020.

  DOI: 10.1002/adma.202005545

  https://doi.org/10.1002/adma.202005545

  楊燦輝助理教授與洪偉教授合作，目前已初步搭建起南方科技大學(xué)軟體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)正在組建新團(tuán)隊(duì)，長(zhǎng)期招收推免直博生，碩、博士研究生和博士后等；研究方向包括軟材料力學(xué)，水凝膠器件，界面粘接，新型軟材料設(shè)計(jì)與加工，柔性傳感器與驅(qū)動(dòng)器等。歡迎對(duì)相關(guān)研究方向感興趣的同學(xué)/博士/學(xué)者郵件聯(lián)系：yangch@sustech.edu.cn。請(qǐng)?jiān)卩]件中做必要的自我介紹。