东华大学武培怡/侯磊团队《Adv. Mater.》：锂键和氢键协同作用实现无溶剂光子晶体离子弹性体的力学强韧化和传感可视化

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受生物皮肤离子传导特性的启发，具有本征可拉伸性的柔性离子导体以离子作为载流子来实现电学信号的传输，在人机交互、软体机器人、医疗健康等领域受到了广泛关注。除了电学信号输出，一些动物皮肤(如变色龙)可表现出外界刺激下的颜色切换，呈现了一种可视化的传感行为，为柔性离子导体的多功能化提供了新思路。

光子晶体是一类具有介电常数周期性的光学材料，可以反射入射光的特定波长而显示出结构色。将光子晶体与离子导体结合可得到光子晶体离子导体，是实现具有光学和电学双重信号输出柔性离子导体的有效途径。然而，现有的光子晶体离子导体材料，很难兼顾机械性能、离子电导率和结构色。这是因为：一方面，周期性排列的不同介电材料存在力学难匹配、界面不稳定等问题，使得机械性能与结构色之间存在一定的权衡；另一方面，基于大量溶剂的离子导体，溶剂含量对离子电导率和机械强度的影响也存在此消彼长的关系。

东华大学武培怡/侯磊研究团队通过在合适的弹性体基质(聚丙烯酸甲氧基乙酯，PMEA)中引入具有协同效应的锂键和氢键，构筑了兼有高机械性能、高离子电导率和鲜艳结构色的光子晶体离子弹性体(Photonic Ionic Elastomer, PIE)。其中，锂离子与PMEA中羰基之间的锂键、二氧化硅纳米颗粒(SiNPs)表面的硅羟基与PMEA中醚基之间的氢键赋予了PIE高机械性能，断裂强度可达4.3 MPa，韧性可达8.6 MJ m^-3。与此同时，锂键有助于锂盐(LiTFSI)的解离，赋予PIE高离子导电性，而氢键有助于稳定SiNPs的非紧密堆积，赋予了PIE鲜艳的结构色。在拉伸过程中，PIE的周期性结构和电阻发生变化，可实现同步的光学和电学输出。此外，基于无溶剂特性，PIE表现出优异的稳定性和耐久性，可以承受极端条件，包括高温、低温以及高湿度等。

图1. PIE的制备

两步法制备PIE：首先将SiNPs分散在单体预聚液中，通过原位聚合制备光子晶体弹性体, 随后将LiTFSI以浸泡的方式引入光子弹性体。盐在弹性体中没有明显聚集，表明LiTFSI与PMEA具有良好的相容性。PIE的颜色可通过SiNPs的大小进行调节。

图2. PIE基本力学和电学性能表征

光子弹性体中，SiNPs含量增加，材料的断裂应力和应变都显著提高，打破了弹性体中机械强度和韧性的冲突。PIE中，LiTFSI含量增加，弹性体的模量和断裂强度提升，且离子导电率越高，克服了凝胶体系中机械强度与离子电导率的权衡。

图3. PIE内部分子相互作用的红外光谱表征

利用红外光谱和二维相关光谱进一步验证了PIEs的内部相互作用，包括Li⁺和C=O之间的锂键，Si-OH与C-O-C之间的氢键。升温过程中，与Li⁺作用形成锂键的C=O并未减少，表明锂键高温下的稳定性。

图4. PIE在应变下的同步光学/电学信号输出

拉伸过程中，由于观测方向SiNPs之间距离的变化，PIE结构色呈现红色-绿色-蓝色的转变。在ε=0%和50%之间的反复加载/卸载循环，PIE的反射波长在610和520 nm之间稳定切换。由于PIE的离子导电特性，其在固定应变拉伸和循环拉伸过程中产生稳定、可重复的电阻变化。基于结构色和离子导电性，PIE的反射波长和电阻呈现出应变下的同步响应，且具有良好的可逆性，进一步证实了其作为多功能离子皮肤的应用潜力。

图5. PIEs的传感应用和湿度响应特性

由于无溶剂特性，PIE₉在高温(100℃)、低温(-18℃)和高湿度(90% RH)下表现出稳定的电阻变化和颜色切换。此外，由于LiTFSI的吸湿性，PIE结构色对湿度具有响应性。

以上研究成果近期以“Synergetic Lithium and Hydrogen Bonds Endow Liquid-free Photonic Ionic Elastomer with Mechanical Robustness and Electrical/optical Dual-output”为题发表在《Advanced Materials》doi.org/10.1002/adma.202211342上，论文的第一作者为东华大学化学与化工学院硕士研究生彭磊，通讯作者为武培怡教授和侯磊副研究员。

该研究工作得到了国家自然科学基金的资助与支持。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202211342

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