浙大贾铮教授课题组《Adv. Funct. Mater.》: 一种兼具力学稳定性与环境稳定性的离子液体凝胶

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水凝胶和离子液体凝胶等离子导体是构成软离子器件（soft ionotronics）的关键材料。软离子器件常需要在空气环境（含水分）或力学载荷作用下工作，但大部分现有的离子液体凝胶并不兼具环境与力学稳定性：水凝胶和离子液体凝胶中的液体成分（水或离子液体）在力学载荷作用下会从聚合物基体中泄露；部分离子液体凝胶因其离子液体的亲水性会从环境中吸水从而导致器件性能的改变。近期，浙江大学曲绍兴教授与贾铮教授课题组开发了一种兼具力学及环境稳定性的离子液体凝胶，该离子液体凝胶在高相对湿度的环境中不吸收水分，且在长时间的机械加载过程中基本不损失液体成分。同时，该材料具有较大的断裂应变(>2000%)，较高的电导率(10⁻⁴ - 10⁻⁵ S/cm)，较好的断裂内聚长度（fractocohesive length, 0.51 - 1.03 mm)，以及较宽的工作温度范围 (−60 ~ 200 ℃)。

针对现有软离子导体较少兼具力学稳定性及环境稳定性的问题，浙江大学工程力学系曲绍兴教授与贾铮教授课题组研发了一种新型离子液体凝胶，该材料可在潮湿环境与力学载荷长期作用下保持稳定，成果以《Ambiently and Mechanically Stable Ionogels for Soft Ionotronics》为题发表在材料领域知名期刊Advanced Functional Materials上。他们将酯类单体乙二醇甲醚丙烯酸酯（MEA）、丙烯酸异冰片酯（IBA）和离子液体1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([C₂mim][NTf₂])混合（如图1a所示），通过自由基聚合的方法，制备了一种新型的离子液体凝胶。该材料中高分子网络与离子液体间可形成氢键，使得离子液体不易泄露，而该离子液体的疏水性赋予了离子液体凝胶在潮湿环境中的稳定性。该离子液体凝胶的导电率在10⁻⁴ - 10⁻⁵ S cm⁻¹之间（图1b），拉伸性超过2000%（图1c），且具有良好的回弹性（图1d-e）。

图1. 新型离子液体凝胶的基本物理性质。

稳定性方面，该新型离子液体凝胶的分解温度约为200℃（图2a），在100℃的高温环境下可以长时间（连续测试时间为5天）保持稳定的重量（图2b）；该离子液体凝胶还具备较好的抗低温能力，其玻璃化转变温度可低至-60℃（图2c），因此该材料在低温（-30℃）下仍表现出良好的弹性行为（图2d）。为展示材料的环境与力学稳定性，作者对比了该离子液体凝胶和PAAm水凝胶（含8mol/L氯化锂）在25℃、相对湿度90%环境下的重量变化：长时间暴露在90%的相对湿度下，该离子液体凝胶的重量几乎没有变化，相比之下，水凝胶的重量变化可达300%左右；在约4 kPa的压力作用下，该离子液体凝胶的重量仍几乎不变，相比之下，水凝胶在同等的条件下会逐渐失去原重量20%-30%的水分。

图2.新型离子液体凝胶的力学稳定性与环境稳定性。

电学性能方面，该离子液体凝胶在空气环境中放置24小时后可以保持95%以上的导电率（图3a-b）；相比之下，未经保护的水凝胶经过24小时则会基本失去导电性（图3c-d）。该离子液体凝胶的高热稳定性和抗低温能力，使得该材料在高温和低温(-45℃至100℃)环境下均具导电性（图3e）。除此之外，该材料的电化学窗口为3.5伏，远高于基于水凝胶的离子导体的电化学窗口（图3f）。

图3.新型离子液体凝胶的电学性能。

力学性能方面，当拉伸应变率在0.07-0.27 s^-1之间变化时，该离子液体凝胶的断裂应变均超过2000%（图4a）。当共聚物和离子液体的配比在4:1-1:1之间变化时，该离子液体凝胶的杨氏模量在102-20 kPa之间，强度介于752和125 kPa之间（图4b）；断裂功和断裂韧性分别在4.85-0.85 MJ/m³和2350-880 J/m²之间，相应的断裂内聚长度在0.51-1.03 mm之间(图4c-d)。除此之外，该材料和玻璃、VHB、金属及部分共聚物可以形成较强的粘接（图4e-f）。

图4. 新型离子液体凝胶的机械性能。

为展示该材料可用于设计软离子器件， 作者开发了一种集成摩擦纳米发电机与电容式传感器的新型离子皮肤（图5），该离子皮肤可以将多种外部激励（压缩、拉伸、温度等）同时转换为电阻、电容、开路电压和短路电流等多种电学信号。该设计可为未来自供电式离子器件的开发提供技术支撑。

图5. 基于新型离子液体凝胶的多功能离子皮肤。

浙江大学航空航天学院博士生布热比·依明为本文第一作者，贾铮教授为本文通讯作者。贾铮(https://person.zju.edu.cn/zhengjia)是国家级青年人才项目入选者，现任职浙江大学航空航天学院工程力学系。研究领域为软物质与柔性结构力学。迄今为止在国际SCI期刊上发表论文40余篇，其中作为第一作者或通讯作者在Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、PNAS、Nano Letters、ACS Nano、Journal of the Mechanics and Physics of Solids等国际刊物上发表论文20余篇。获2019年Extreme Mechanics Letters青年学者奖等国际奖项。学术兼职方面，担任力学国际网络论坛iMechanica的旗舰栏目Journal Club的主编(2020-2021)、浙江省力学学会固体力学专委会秘书长等职务。贾铮教授课题组现诚招高分子材料及力学背景的博士后，有意者请将个人简历（pdf）发送至贾铮教授邮箱[e-mail]，邮件标题请注明“博士后申请+姓名+毕业学校”。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202102773

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