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華南理工張安強教授團隊 CEJ：基于相分離形成軟硬異質結構和陽離子-π相互作用的機械強韌性防水離子凝膠實現水下粘附和傳感
2024-08-29  來源：高分子科技

  柔性離子導體在未來軟離子電子學領域具有重要的應用前景。然而，創(chuàng)造具有機械穩(wěn)健性，水下粘附性和水下運動監(jiān)測能力的柔性導體仍然存在挑戰(zhàn)。人體中存在各種軟組織，如皮膚、肌腱和韌帶，具有優(yōu)異的機械強度、韌性和彈性，能夠承受數十至數百兆帕的應力載荷(例如，人類皮膚的抗拉強度為1～32 MPa)。這些天然組織中（結締組織）存在異質結構，如堅固的膠原纖維支架，低模量的彈性纖維和柔軟的富水基質等。


  近日，華南理工大學材料科學與工程學院張安強教授團隊受生物體軟組織中互穿的模量大小不同的軟硬異質結構啟發(fā)，提出了聚合誘導相分離形成軟硬異質結構的設計策略用于高強度柔性離子導體的合成（圖1）。同時，體系中存在的陽離子和芳香環(huán)之間的短程陽離子-π作用模擬了貽貝足絲蛋白中的陽離子殘基(如賴氨酸、精氨酸和組氨酸)和疏水性芳香氨基酸(如酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸)。陽離子-π相互作用是帶正電荷的陽離子和帶負電荷的π系統(tǒng)電子云之間形成的靜電吸引，已被證明在貽貝的強水下附著力中起著至關重要的作用；诖，得到具有機械強韌性、可濕態(tài)黏附的用于柔性傳感的防水離子凝膠（圖2、圖3）。


圖1 圖文摘要


圖2 防水離子凝膠QMBF的設計與合成方案

圖3 QMBF的結構和形態(tài)分析

  當QMBF凝膠受到外力拉伸時，相分離異質結構產生特征性的兩相機械響應，剛性域為QMBF提供了機械堅固性，柔性域提供了彈性和可拉伸性（圖4）。當與水接觸時，水相中陽離子-π之間發(fā)生自驅動靜電吸引以及疏水鏈段自聚集產生相分離，破壞了QMBF的表面水化層，實現水下自愈性和水環(huán)境中的長期穩(wěn)定性（圖5）。此外，有效的界面排水和網絡內部陽離子-π、氫鍵和離子-偶極等超分子作用賦予基體的強大內聚力，實現了QMBF與各種底物之間出色的水下粘附性（圖6）。


圖4 QMBF的機械性能及光譜學測試


圖5 QMBF-1/1的水下自愈性及水下穩(wěn)定性


  離子液體為QMBF提供了固有的導電性，可以靈敏地監(jiān)測人體運動和生理活動，在水下作業(yè)和通信工程中具有廣闊的應用前景（圖7、圖8）。本研究開發(fā)的軟離子凝膠導體具有可調節(jié)的機械強度和水下粘附性，有望為人類健康監(jiān)測和水下可穿戴電子設備的設計與制造開辟新的途徑。


圖6  QMBF-1/1在空氣/水下的粘附表現及黏附機理。


圖7 QMBF-1/1在空氣中的傳感性能


圖8 QMBF-1/1在水中的傳感性能


  該工作以“The robustness waterproof ionogel based on the phase separation to form soft hard heterostructures and the interaction of cation-π realizes underwater adhesion and sensing”為題在《Chemical Engineering Journal》期刊發(fā)表（Chemical Engineering Journal. 2024, 497, 155046）。論文的第一作者是華南理工大學材料科學與工程學院博士生于寧，華南理工大學材料科學與工程學院張安強教授和華南農業(yè)大學材料與能源學院林雅鈴副教授為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金和廣州市科技計劃項目的支持。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155046

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（責任編輯：xu）
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