東華大學武培怡/孫勝童AM：具有電導率拉伸強化響應行為的離電液晶彈性體纖維

本文來自微信公眾號：X-MOLNews

生命體系依賴離子電導實現外界環境感知和神經控制反饋。近年來，模仿生命體系離子電導發展形成的「可拉伸離電學」在仿生皮膚、人工肌肉、可拉伸儲能、軟機器人等領域取得了廣泛應用。然而，現有的可拉伸離子導體大都基於富含自由離子的柔性高分子網絡，離子電導率隨拉伸僅發生輕微提升。這一「遲鈍」的機電耦合特性使得可拉伸離子導體既無法像逾滲電子導體一樣具有較高的感知靈敏度，也無法在拉伸過程中維持高效離子電導以確保信號傳輸質量，難以滿足當下可拉伸電子器件的多場景化需求。

近期，受游泳比賽中筆直的「泳道」啟發，通過調製離子傳導迂曲度，東華大學武培怡/孫勝童研究團隊設計開發了一種具有超高力學韌性和電導率拉伸強化響應特性的離電液晶彈性體（IonoLCE）纖維，其離子電導率隨拉伸可提升上千倍，且該變化過程完全可逆，成功打破了傳統可拉伸離子導體的固有機電耦合特性。IonoLCE結構中含有交替排列的剛性液晶基元和柔性間隔基，而引入的含氟離子液體僅與柔性間隔基相容。拉伸誘導液晶基元有序排列，進而迫使其發生近晶相密堆積從而與離子液體微相分離形成高度有序的快速離子通道。

圖1. 具有離子電導率拉伸強化響應行為的離電液晶彈性體纖維的分子設計與工作原理。

IonoLCE纖維直徑僅1 mm，外觀透明，液晶相轉變溫度約為49.8 ℃。纖維具有較低初始模量（0.5 MPa）、超大拉伸率（2700%）、良好彈性回復以及極高力學韌性（56.9 MJ m-3），可反覆提取約1.5公斤的重物。值得注意的是，拉伸20倍使得纖維離子電導率由0.14 mS m-1提升至143.86 mS m-1，對應於1028倍增強。這一增強係數遠超同類可拉伸離子導體（大多小於5倍）。

圖2. IonoLCE纖維的機電耦合特性。

作者進一步通過低場核磁19F譜、SAXS、紅外、分子模擬等表徵手段分析了離電液晶彈性體纖維電導率拉伸強化響應的原因。研究發現，離子電導率提升主要發生在單疇向列相向近晶相的轉變過程。由於剛性液晶基元密堆積導致離子液體與液晶彈性體網絡相容性變差，從而發生微相分離形成了沿拉伸方向高度有序且相互貫通的離子納米通道。

圖3. IonoLCE纖維電導率拉伸強化效應的結構解析。

電導率隨拉伸急劇提升使得IonoLCE纖維具有反Pouillet定律預測的電阻變化曲線，在121%應變後電阻急劇下降，而618%應變後緩慢增長。這一特殊電阻變化可實現與常規離子導體傳感截然不同的波形傳感，即拉伸至不同應變可反饋不同的電阻變化波形。

圖4. IonoLCE纖維的波形傳感功能。

此外，IonoLCE纖維仍然保持著極高的致動性能。施加0.2 MPa偏壓後，加熱至液晶相轉變溫度可發生約70%的長度收縮。將具有光熱功能的分散紅染料DR1引入IonoLCE纖維，綠色雷射照射也可產生遠程致動效果。此外，纖維致動能力還可與感知功能進行一體化協同。將纖維固定至不同應變，雷射脈衝可帶來同步的收縮力與電阻信號變化。

圖5. IonoLCE纖維的致動性能及感知-致動協同響應。

小結

該工作中，作者首次報導了具有離子電導率拉伸強化響應行為的離電液晶彈性體纖維，通過離子傳導迂曲度調製，實現了拉伸20倍離子電導率1000倍提升，成功打破了傳統可拉伸離子導體的固有機電耦合特性。這一奇異電導率響應行為使得該纖維具有新穎的波形傳感特性，且可實現致動與傳感一體化協同。該研究成果近期發表於Advanced Materials，東華大學碩士生姚明月為論文第一作者，孫勝童研究員和武培怡教授為通訊作者。

A Highly Robust Ionotronic Fiber with Unprecedented Mechanomodulation of Ionic Conduction

Mingyue Yao, Baohu Wu, Xunda Feng, Shengtong Sun*, Peiyi Wu*

Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202103755

研究團隊簡介

東華大學武培怡-孫勝童課題組主要從事新型可拉伸離子導體的設計合成與感知應用領域的基礎性研究工作，致力於利用二維相關光譜等先進的譜學分析手段理解離子導體粘彈網絡體系的相互作用機制，並在此結構與性能關係基礎上開發面向人工智慧交互的可拉伸及自適應感知材料。

孫勝童

https://www.x-mol.com/university/faculty/184145

武培怡

https://www.x-mol.com/university/faculty/184146

課題組主頁

http://www.peiyiwu.cn/