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  水凝膠和離子液體凝膠等離子導(dǎo)體是構(gòu)成軟離子器件（soft ionotronics）的關(guān)鍵材料。軟離子器件常需要在空氣環(huán)境（含水分）或力學(xué)載荷作用下工作，但大部分現(xiàn)有的離子液體凝膠并不兼具環(huán)境與力學(xué)穩(wěn)定性：水凝膠和離子液體凝膠中的液體成分（水或離子液體）在力學(xué)載荷作用下會從聚合物基體中泄露；部分離子液體凝膠因其離子液體的親水性會從環(huán)境中吸水從而導(dǎo)致器件性能的改變。近期，浙江大學(xué)曲紹興教授與賈錚教授課題組開發(fā)了一種兼具力學(xué)及環(huán)境穩(wěn)定性的離子液體凝膠，該離子液體凝膠在高相對濕度的環(huán)境中不吸收水分，且在長時(shí)間的機(jī)械加載過程中基本不損失液體成分。同時(shí)，該材料具有較大的斷裂應(yīng)變(>2000%)，較高的電導(dǎo)率(10^?4 - 10^?5 S/cm)，較好的斷裂內(nèi)聚長度（fractocohesive length, 0.51 - 1.03 mm)，以及較寬的工作溫度范圍 (?60 ~ 200 ℃)。

  針對現(xiàn)有軟離子導(dǎo)體較少兼具力學(xué)穩(wěn)定性及環(huán)境穩(wěn)定性的問題，浙江大學(xué)工程力學(xué)系曲紹興教授與賈錚教授課題組研發(fā)了一種新型離子液體凝膠，該材料可在潮濕環(huán)境與力學(xué)載荷長期作用下保持穩(wěn)定，成果以《Ambiently and Mechanically Stable Ionogels for Soft Ionotronics》為題發(fā)表在材料領(lǐng)域知名期刊Advanced Functional Materials上。他們將酯類單體乙二醇甲醚丙烯酸酯（MEA）、丙烯酸異冰片酯（IBA）和離子液體1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽([C₂mim][NTf₂])混合（如圖1a所示），通過自由基聚合的方法，制備了一種新型的離子液體凝膠。該材料中高分子網(wǎng)絡(luò)與離子液體間可形成氫鍵，使得離子液體不易泄露，而該離子液體的疏水性賦予了離子液體凝膠在潮濕環(huán)境中的穩(wěn)定性。該離子液體凝膠的導(dǎo)電率在10^?4 - 10^?5 S cm^?1之間（圖1b），拉伸性超過2000%（圖1c），且具有良好的回彈性（圖1d-e）。

圖1. 新型離子液體凝膠的基本物理性質(zhì)。

  穩(wěn)定性方面，該新型離子液體凝膠的分解溫度約為200℃（圖2a），在100℃的高溫環(huán)境下可以長時(shí)間（連續(xù)測試時(shí)間為5天）保持穩(wěn)定的重量（圖2b）；該離子液體凝膠還具備較好的抗低溫能力，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可低至-60℃（圖2c），因此該材料在低溫（-30℃）下仍表現(xiàn)出良好的彈性行為（圖2d）。為展示材料的環(huán)境與力學(xué)穩(wěn)定性，作者對比了該離子液體凝膠和PAAm水凝膠（含8mol/L氯化鋰）在25℃、相對濕度90%環(huán)境下的重量變化：長時(shí)間暴露在90%的相對濕度下，該離子液體凝膠的重量幾乎沒有變化，相比之下，水凝膠的重量變化可達(dá)300%左右；在約4 kPa的壓力作用下，該離子液體凝膠的重量仍幾乎不變，相比之下，水凝膠在同等的條件下會逐漸失去原重量20%-30%的水分。

圖2.新型離子液體凝膠的力學(xué)穩(wěn)定性與環(huán)境穩(wěn)定性。

  電學(xué)性能方面，該離子液體凝膠在空氣環(huán)境中放置24小時(shí)后可以保持95%以上的導(dǎo)電率（圖3a-b）；相比之下，未經(jīng)保護(hù)的水凝膠經(jīng)過24小時(shí)則會基本失去導(dǎo)電性（圖3c-d）。該離子液體凝膠的高熱穩(wěn)定性和抗低溫能力，使得該材料在高溫和低溫(-45℃至100℃)環(huán)境下均具導(dǎo)電性（圖3e）。除此之外，該材料的電化學(xué)窗口為3.5伏，遠(yuǎn)高于基于水凝膠的離子導(dǎo)體的電化學(xué)窗口（圖3f）。

圖3.新型離子液體凝膠的電學(xué)性能。

  力學(xué)性能方面，當(dāng)拉伸應(yīng)變率在0.07-0.27 s^-1之間變化時(shí)，該離子液體凝膠的斷裂應(yīng)變均超過2000%（圖4a）。當(dāng)共聚物和離子液體的配比在4:1-1:1之間變化時(shí)，該離子液體凝膠的楊氏模量在102-20 kPa之間，強(qiáng)度介于752和125 kPa之間（圖4b）；斷裂功和斷裂韌性分別在4.85-0.85 MJ/m³和2350-880 J/m²之間，相應(yīng)的斷裂內(nèi)聚長度在0.51-1.03 mm之間(圖4c-d)。除此之外，該材料和玻璃、VHB、金屬及部分共聚物可以形成較強(qiáng)的粘接（圖4e-f）。

圖4. 新型離子液體凝膠的機(jī)械性能。

  為展示該材料可用于設(shè)計(jì)軟離子器件， 作者開發(fā)了一種集成摩擦納米發(fā)電機(jī)與電容式傳感器的新型離子皮膚（圖5），該離子皮膚可以將多種外部激勵(lì)（壓縮、拉伸、溫度等）同時(shí)轉(zhuǎn)換為電阻、電容、開路電壓和短路電流等多種電學(xué)信號。該設(shè)計(jì)可為未來自供電式離子器件的開發(fā)提供技術(shù)支撐。

圖5. 基于新型離子液體凝膠的多功能離子皮膚。

  浙江大學(xué)航空航天學(xué)院博士生布熱比·依明為本文第一作者，賈錚教授為本文通訊作者。賈錚(https://person.zju.edu.cn/zhengjia)是國家級青年人才項(xiàng)目入選者，現(xiàn)任職浙江大學(xué)航空航天學(xué)院工程力學(xué)系。研究領(lǐng)域?yàn)檐浳镔|(zhì)與柔性結(jié)構(gòu)力學(xué)。迄今為止在國際SCI期刊上發(fā)表論文40余篇，其中作為第一作者或通訊作者在Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、PNAS、Nano Letters、ACS Nano、Journal of the Mechanics and Physics of Solids等國際刊物上發(fā)表論文20余篇。獲2019年Extreme Mechanics Letters青年學(xué)者獎(jiǎng)等國際獎(jiǎng)項(xiàng)。學(xué)術(shù)兼職方面，擔(dān)任力學(xué)國際網(wǎng)絡(luò)論壇iMechanica的旗艦欄目Journal Club的主編(2020-2021)、浙江省力學(xué)學(xué)會固體力學(xué)專委會秘書長等職務(wù)。賈錚教授課題組現(xiàn)誠招高分子材料及力學(xué)背景的博士后，有意者請將個(gè)人簡歷（pdf）發(fā)送至賈錚教授郵箱zheng.jia@zju.edu.cn，郵件標(biāo)題請注明“博士后申請+姓名+畢業(yè)學(xué)校”。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202102773