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  軟離子器件（soft ionotronics），如離子導線、離子皮膚、軟體觸摸屏等，在可穿戴電子設備、軟體機器人、生物醫學等領域有廣泛的應用。軟離子導體則是軟離子器件的關鍵材料，其不僅應具有良好的導電性、透明性和力學性能，還需具備較高的穩定性。目前的軟離子導體主要包括水凝膠和離子液體凝膠，但他們存在水分蒸發或液體泄露等問題，穩定性不足。近期，浙江大學曲紹興教授與賈錚教授課題組開發了一種新型的全固態離子導電彈性體，該材料由共聚物高分子網絡和游離其中的鋰鹽離子組成，不含液體相，可避免由液體泄露、蒸發帶來的穩定性不足的問題。該離子導電彈性體中高分子網絡與離子間形成大量氫鍵與鋰鍵，在材料受拉伸時通過鍵的斷裂耗散大量能量，因此該離子導電彈性體具備非常優異的力學性能（可拉伸性、斷裂韌性、強度等）。

  水凝膠是一種常見的軟離子導體，具有極好的導電性、透明性以及可拉伸性。然而水凝膠含有大量水分，隨著水分蒸發，其導電性和可拉伸性會下降甚至喪失。另一種常見的軟離子導體是離子液體凝膠。相對于水凝膠而言，離子液體凝膠較為穩定，在室溫及空氣環境中幾乎不會損失液體成分。但是，離子液體凝膠在長期使用或承受外力的情況下，仍存在離子液體泄露的問題。此外，離子液體凝膠還面臨導電性與力學性能矛盾的問題：提高離子液體含量可提高材料導電性，但同時會導致模量、強度等力學性能降低。

  針對以上軟離子導體面臨的問題與挑戰，浙江大學工程力學系曲紹興教授與賈錚教授課題組研發了一種具有優異力學性能的全固態離子導電彈性體，成果以《A Mechanically Robust and Versatile Liquid-Free Ionic Conductive Elastomer》為題發表在材料領域知名期刊Advanced 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）和雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰（LiTFSI）按一定比例混合，通過自由基聚合的方法，制備了一種新型的全固態離子導電彈性體。該材料中高分子網絡與離子間存在大量氫鍵與鋰鍵（如圖1a所示）,這些氫鍵與鋰鍵起到物理交聯點的作用并且在材料受拉伸時可發生斷裂、耗散大量能量，使得該離子導電彈性體擁有極好的力學性能。此外，該離子導電彈性體具有非晶結構（圖1b）和良好的透明度。含鹽量為0.5 M的離子導電彈性體的可拉伸性超過1600%（圖1c），其工作溫度窗口在-14.4゜（相轉變溫度，圖1d）到200゜（熱分解溫度，圖1e）之間，相比水凝膠而言具有極高的溫度穩定性。

圖1.全固態離子導電彈性體的微觀結構示意圖及物理性質。

  該離子導電彈性體具有優異的力學性能，無論鋰鹽濃度如何變化，其可拉伸性保持在1500%以上(圖2a)。眾所周知，材料設計領域存在著兩對矛盾：（1）大部分材料的強度和斷裂韌性難以同時提升；（2）離子液體凝膠的導電性與機械性能（強度、模量）難以兼得。有趣的是，隨著鋰鹽含量由0.0 M提高到2.0 M，該離子導電彈性體的斷裂韌性、強度、模量均提高數倍（圖2b-d），同時克服了上述兩對矛盾。此外，該離子導電彈性體還具有力學自修復性（圖2e）和良好的回彈性能（圖2f-h）。

圖2.全固態離子導電彈性體的力學性能。

  該全固態離子導電彈性體還具有良好的導電性。圖3a-b展示了全固態離子導電彈性體中鹽濃度/溫度和導電性之間的關系。此外，7天的測試結果表明材料在室溫空氣環境中也具有穩定的電導率（圖3c）。該材料還具有電學自修復的特性，經過10小時的自修復過程，其電學自修復效率可達97%（圖3d）。綜上所述，全固態離子導電彈性體具有良好的力學性能與導電性，可以被用作電阻式應變傳感器，圖3e-h展示了全固態離子導電彈性體作為電阻式應變傳感器的原理與應用。

圖3.全固態離子導電彈性體的電學性能。

  通過將全固態離子導電彈性體與介電彈性體材料結合，可開發多種離子器件，包括離子皮膚、納米摩擦發電機等。圖4a展示了基于全固態離子導電彈性體的離子皮膚的結構示意圖。與水凝膠和介電彈性體的天然弱界面粘接不同，全固態離子導電彈性體與大部分介電彈性體（如VHB等）有較強的粘接（圖4b），利于保證離子器件的結構完整性。該離子皮膚能將多種外部載荷（比如拉伸、壓縮及溫度變化等）轉換為電容信號的變化（圖4c-g），且具有較高的響應速率。

圖4. 基于全固態離子導電彈性體的離子皮膚。

  3D打印技術可將材料打印成復雜結構，有助于拓展材料的應用范圍。該全固態離子導電彈性體也具有可打印性。圖5中展示了基于數字光處理技術（DLP）的離子導電彈性體打印平臺（圖5a）和打印得到的結構(圖5b-f)。

圖5. 全固態離子導電彈性體的可加工性。

  浙江大學航空航天學院博士生布熱比·依明為本文第一作者，賈錚教授為本文通訊作者，浙江大學機械學院尹俊教授與華南理工大學華南軟物質科學與技術高等研究院孫桃林教授為本文共同通訊作者。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202006111

  賈錚(https://person.zju.edu.cn/zhengjia)是國家級青年人才項目入選者，現任職浙江大學航空航天學院工程力學系。研究領域為軟物質與柔性結構力學。迄今為止在國際SCI期刊上發表論文近40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等國際刊物上發表論文20余篇。獲2019年Extreme Mechanics Letters青年學者獎等國際獎項。學術兼職方面，擔任力學國際網絡論壇iMechanica的旗艦欄目Journal Club的主編(2020-2021)、浙江省力學學會固體力學專委會秘書長等職務。賈錚教授課題組現誠招高分子材料與化學背景的博士后，有意者請將個人簡歷（pdf）發送至賈錚教授郵箱zheng.jia@zju.edu.cn，郵件標題請注明“博士后申請+姓名+畢業學校”。