聚合物電介質作為一種多功能柔性電絕緣體，在電力系統，柔性電子器件和柔性機器人等各種現代技術中得到了廣泛應用。介電的軟材料具有在電場作用下發生形變的能力，即電驅動響應性，其中，介電彈性體已成為“人工肌肉”的代名詞。然而驅動所需的高電壓和及材料較差的機械可靠性阻礙了其在實際中的應用。提高介電常數和降低聚合物電介質的彈性模量是降低驅動電壓的有效方法。然而，傳統的聚合物電介質的相對介電常數偏低，一般小于10。通過將導電顆粒或高介電常數陶瓷填充到聚合物中可以有效增加它們的介電常數，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，具有光學透射功能的聚合物電介質已經成為新一代柔性顯示器、柔性觸摸屏面板中具有廣大應用前景的新興材料，開發具有高光學透射性質的聚合電介質已經成為時下的研究熱點。
近日，西安交通大學丁書江教授領銜的研究團隊在自然出版集團旗下期刊NPG Asia Materials上發表了題為“Dielectric gels with ultra-high dielectric constant, low elastic modulus and excellent transparency”的論文。西安交通大學盧同慶教授以及深圳大學第一附屬醫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理學院博士生石磊。該文章被選為期刊亮點文章（Featured article），在網站首頁（Top page）上進行展示。在文章的接收函中,編輯寫道“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絡體系，具有高彈性和透明性的特點。
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現了：超高的介電常數（30~50），較低的彈性模量（20 KPa~60 KPa）以及優異的透明性（99%，100um）。此外，這種介電凝膠顯示出較高的拉伸性（拉伸倍數約10）和較低的機械滯后性。電驅動實驗表明，與通用的介電彈性體VHB4905相比，此介電凝膠在相同驅動應變下所需的驅動電壓減少了一半。此外，研究人員以介電凝膠為基礎，制備出可以通過電壓來快速調焦的“人工眼球”。
圖1 介電凝膠的基本設計和制造過程。(A) 電介質凝膠的示意圖。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)交聯劑，(MBA); 1-羥基環己基苯基酮光引發劑;碳酸亞丙酯(PC)和碳酸亞乙酯溶劑(EC)。(C) 介電凝膠的制造過程： 通過光引發聚合在幾分鐘內合成凝膠。(D) 用于展現良好拉伸性和高透明度的介電凝膠照片。上圖為未拉伸狀態的凝膠，下圖為拉伸狀態的凝膠。
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％質量比。(A) 不同交聯劑含量(與標記的單體的摩爾比)的電介質凝膠的應力—應變曲線。每個凝膠被拉伸至破裂。(B) 彈性模量(由應變為10％的應力—應變曲線計算)和斷裂應變與交聯劑含量的影響關系。 (C) 電介質凝膠的循環加載(交聯劑含量為0.15％)。初始加載循環設定為應變100％，在加載卸載循環后，樣本在第二個循環中立即重新加載至應變300％，然后在第三個循環中應變500％。(D) 不同體積比PC以及EC / PC溶劑的介電凝膠的介電常數與測試頻率的關系圖。 (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測試頻率的關系曲線。 (F)在可見光范圍內1mm厚的電介質凝膠的透射率測試。
圖3. (A) 不同材料的介電常數(測試頻率，1KHz)于彈性系數對比圖。(B) 不同材料的介電常數(測試頻率，100KHz)于透明度對比圖。
圖4. (A）介電凝膠(左)和VHB 4905(右)的電壓誘發變形。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凝膠在室溫下的施加電壓函數的應變幅度圖。(C) 室溫下不同聚合物含量的介電凝膠的施加電壓函數的應變幅度圖。(D) 由介電凝膠制備的生物感應隧道透鏡展示。透鏡的焦距可以通過改變施加的電壓來調節。
該工作成功設計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，低彈性模量和優異透明度三種特性的凝膠材料。并且此凝膠呈現出高拉伸性(拉伸約為10)，低機械滯后的特性。此外作者還通過制造一個簡易的生物激發可調透鏡展示出此介電凝膠的使用，其焦距可以通過改變所施加的電壓來調節。介電凝膠能夠為軟機器人，傳感器，電子設備，光學設備以及仿生學設備提供了廣闊的應用前景。
本研究由國家自然科學基金項目（編號：51773165, 61704096），中央高校基本科研業務費（xjj2015119）和深圳市科技創新委員會(JCYJ 20170817171930009)資助。
團隊介紹
丁書江，1978年生于黑龍江省哈爾濱市，理學院教授。教育部“新世紀優秀人才”，陜西省“青年科技新星”。研究工作涉及電化學儲能材料與器件、電活性聚合物等，包括聚合物電解質、固態電池、水系電池、鋰硫電池、鋰/鈉離子電池、超級電容器、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等期刊上發表論文百余篇，其中14篇論文入選“基本科學指標數據（ESI）”高被引論文，1篇論文入選ESI Hot Paper。并擔任多個著名國際學術期刊的審稿人。在研項目包括國家自然科學基金面上和青年項目，博士點基金、陜西省基金等。
近年來，丁書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展了比較系統的工作，并且取得了一系列具有影響力的進展。相關成果相繼發表在：
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).
