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中科院納米能源所李舟/羅聃研究員《Nat. Commun.》:應(yīng)力誘導(dǎo)自適應(yīng)相變制備自封裝離子纖維用于非接觸景深傳感
2024-02-02  來(lái)源:高分子科技

  離子導(dǎo)電水凝膠纖維具有優(yōu)異的電性能、機(jī)械柔韌性和良好的可織性,在柔性電子、傳感器網(wǎng)絡(luò)、能量收集/存儲(chǔ)設(shè)備等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。目前,影響離子導(dǎo)電水凝膠纖維廣泛應(yīng)用的兩個(gè)主要挑戰(zhàn)為開發(fā)簡(jiǎn)便的大規(guī)模制造方法和提高其在使用過(guò)程中的穩(wěn)定性。在制備方面,由于水凝膠及其前體的可紡性較差,難以將其大規(guī)模制造為米級(jí)長(zhǎng)度的纖維;此外,傳統(tǒng)的策略依賴于繁瑣的生產(chǎn)程序和大量的溶劑消耗,不符合綠色化學(xué)的趨勢(shì)。并且從使用穩(wěn)定性的角度來(lái)看,離子導(dǎo)電水凝膠纖維長(zhǎng)期暴露在環(huán)境中會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的脫水從而失效,即使水凝膠纖維可以通過(guò)其他彈性材料進(jìn)行包覆,但大多數(shù)包封策略存在模量失配、界面附著力弱等問(wèn)題,容易導(dǎo)致包封層的剝落或異常斷裂。因此,開發(fā)一種環(huán)保高效的策略來(lái)制造具有穩(wěn)定封裝結(jié)構(gòu)的離子導(dǎo)電水凝膠纖維就顯得尤為重要。



  近日,中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李舟研究員和羅聃研究員團(tuán)隊(duì),在Nature Communications雜志在線發(fā)表了題為“Self-encapsulated ionic fibers based on stress-induced adaptive phase transition for non-contact depth-of-field camouflage sensing”的最新研究成果。提出了一種應(yīng)力誘導(dǎo)自適應(yīng)相變策略,用于連續(xù)制備高度穩(wěn)定的功能性自封裝離子凝膠基的導(dǎo)電纖維,該過(guò)程僅由兩個(gè)步驟組成:應(yīng)力誘導(dǎo)的拉伸/浸取提拉成型和基于自適應(yīng)相變的自封裝。 


圖1.超可拉伸離子凝膠和自封裝離子凝膠基纖維的設(shè)計(jì)原理


  基于聚合物分子鏈長(zhǎng)/短互補(bǔ)和動(dòng)態(tài)物理相互作用的設(shè)計(jì)原則,優(yōu)化篩選(通過(guò)改變鹽離子的添加量,聚合物的分子量和兩種聚合物的配比)出了具有超可拉伸性能離子凝膠作為纖維制備的前體材料。對(duì)其電學(xué)性能和流變性能進(jìn)行表征后,表明離子凝膠具有良好的導(dǎo)電性且已形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。超可拉伸離子凝膠的極限拉伸倍數(shù)可超過(guò)190萬(wàn)倍,進(jìn)行多級(jí)拉伸后,凝膠可由塊狀直接變?yōu)槲⒚准?jí)直徑的纖維,此過(guò)程在室溫下進(jìn)行,且不消耗任何有機(jī)溶劑。除拉伸成型外,離子凝膠微纖維也可直接由熔融的超可拉伸離子凝膠中浸取提拉得到,通過(guò)改變浸取針頭的直徑,熔體溫度和提拉速度可對(duì)纖維直徑進(jìn)行調(diào)控。一次浸取提拉可得到幾米長(zhǎng)的纖維,可在室溫下立即成型,具有大規(guī)模制備的潛力。 


2.多級(jí)拉伸和浸取提拉法制備離子凝膠纖維


  拉伸制得的凝膠纖維,由于分子鏈的高度取向?qū)е骆滈g相互作用增強(qiáng),聚合物網(wǎng)絡(luò)發(fā)生收縮,從而誘導(dǎo)水分子向外發(fā)生定向遷移,遷移到表面的水分子迅速蒸發(fā),導(dǎo)致表層發(fā)生相變,形成穩(wěn)定的自封裝的結(jié)構(gòu)。自封裝層不僅能夠保護(hù)凝膠纖維內(nèi)部的水分免受蒸發(fā),還將其力學(xué)強(qiáng)度提升了3個(gè)數(shù)量級(jí),一根直徑小于發(fā)絲的凝膠纖維甚至可輕松提起20 g的重物。自封裝的離子凝膠纖維有著絕緣的自封裝層和內(nèi)部導(dǎo)電的芯層,結(jié)構(gòu)類似于單電極的摩擦納米發(fā)電機(jī),基于靜電感應(yīng)的工作原理實(shí)現(xiàn)了對(duì)于靶材的不同感應(yīng)距離,尺寸,移動(dòng)速度和材質(zhì)的穩(wěn)定監(jiān)測(cè)。受自然界中蜘蛛網(wǎng)的啟發(fā),將具有類蛛絲形態(tài)的透明、超細(xì)、可拉伸的自封裝離子凝膠纖維制成蛛網(wǎng)狀的傳感器,其不僅在野外環(huán)境中成功實(shí)現(xiàn)了偽裝,還可承受實(shí)心球的高速?zèng)_擊,具有出色的機(jī)械穩(wěn)健性。通過(guò)偽裝在草坪中,實(shí)現(xiàn)了對(duì)于不同昆蟲(蝴蝶、甲蟲和瓢蟲)運(yùn)動(dòng)行為的三維景深感知。由于高比表面積和強(qiáng)大的靜電感應(yīng)能力,類蛛網(wǎng)傳感器還可以以非接觸的方式識(shí)別更大、更快的運(yùn)動(dòng)物體。比如其可以很好地偽裝野外環(huán)境中,實(shí)現(xiàn)對(duì)于無(wú)人機(jī)和人類不同運(yùn)動(dòng)模式的傳感。 


3.仿生蛛網(wǎng)傳感器的制備及對(duì)于不同昆蟲運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)


  該工作為制造穩(wěn)定的功能化離子纖維開辟了一條便捷的途徑,將有望結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí),以廣泛部署的仿生傳感器為基礎(chǔ)可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高精度定位、識(shí)別和運(yùn)動(dòng)特征監(jiān)測(cè),可應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)害蟲監(jiān)測(cè)和國(guó)土安全偽裝偵察等領(lǐng)域。此外,圍繞構(gòu)建傳感器、信號(hào)處理電路、通信模塊和可視化終端在內(nèi)的集成系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)野外無(wú)線監(jiān)測(cè)還需進(jìn)一步深入研究。相信基于應(yīng)力誘導(dǎo)自適應(yīng)相變策略和制備自封裝離子凝膠纖維將對(duì)下一代柔性電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)產(chǎn)生啟發(fā)。


  中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李舟研究員和羅聃研究員為論文的共同通訊作者,中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所碩士生劉瑩王嬋博士和北京航天航空大學(xué)劉卓副教授為文章的共同第一作者。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金,國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-44848-5

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