华科大赵龙教授团队 CEJ：电离辐射技术制备基于聚（离子液体）/MXene凝胶的多功能柔性应变传感器

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近日，华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室/电气与电子工程学院赵龙教授团队利用电离辐射技术成功制备出基于聚（离子液体）/MXene凝胶的多功能柔性应变传感器，相关研究成果发表于国际知名期刊Chemical Engineering Journal上。

柔性应变传感器（FSSs）可以将来自外界刺激的机械信号转换为实时电信号，因而在人体运动、健康监测、人机界面和软机器人等领域被广泛研究。导电水凝胶因其制备简单、柔韧性高、导电性好、自愈能力强等优点得到了广泛的研究。然而，水凝胶衍生的FSSs通常具有较差的耐温性和相对狭窄的电化学窗口，严重限制了进一步的实际应用。尽管许多研究人员尝试使用低挥发性有机溶剂制备的有机凝胶代替水凝胶作为传感材料来解决上述问题，但有机凝胶往往表现出相对较低的电导率和灵敏度。因此，如何制备同时兼具高灵敏度和导电性、优异的环境耐受性、柔性可调等优点的高性能FSSs导电材料是一项极具挑战的任务。

近年来，聚离子液体（PILs）凝胶作为一种新型的先进材料，因其具有高导电性、极低挥发性、可调节的物理化学性质以及良好的热稳定性和化学稳定性而备受关注。将PILs引入有机凝胶有望改善有机凝胶的导电性和灵敏度。值得注意的是，PILs还会赋予有机凝胶增强的抗菌能力和更好的抗冻性，使其成为许多软电子器件的潜在候选者。然而，目前只有少数研究报道了基于PILs的有机凝胶，而且这些有机凝胶主要通过非共价相互作用构建，导致其力学性能和稳定性较差。

二维（2D）过渡金属碳化物/氮化物（Ti₃C₂T_x MXene）作为一种新型的二维纳米材料，具有高的化学稳定性、柔韧性、优异的导电性和机械强度，在FSSs中显示出很高的应用潜力。此外，MXene表面丰富的活性基团（-OH，-F和=O）可以和聚合物基体之间形成丰富的非共价交联作用，从而提高凝胶的机械性能和导电性。

本文亮点

1.针对上述问题，本工作提出了增加凝胶中的非共价作用以及在交联结构中引入共价/非共价协同作用机制来提高和改善凝胶的机械性能，稳定性和导电性的思路。本工作使用含有-C=C-双键的咪唑类ILs分别作为单体和交联剂，Ti₃C₂T_x MXene同时作为物理“交联剂”和导电纳米填料，首次采用电离辐射技术诱导离子液体单体在有机溶剂中发生辐射聚合/交联，一步法原位制备出一系列兼具共价和非共价交联结构的双交联新型聚（离子液体）/MXene（C_n-PIL/MXene）凝胶。

2.本工作系统研究了不同碳链长度的咪唑ILs单体的凝胶化机制及其凝胶性能。结果表明， 含有较短烷基侧链的IL形成的凝胶（C₂-PIL/MXene）具有更好的拉伸性（≈600%）、良好的导电性(4.9 mS cm⁻¹)、快速的自愈能力（<8 min）、优异的粘附性（266.9 kPa）和快速的响应时间（<100 mS）。此外，所制备的C₂-PIL/MXene凝胶还具有优异的抗冻性能（−60 ℃）、环境耐受性（90天）和优异的抗菌活性（抗菌率：大肠杆菌（99.82%），金黄色葡萄球菌（99.98%）。

3.基于C₂-PIL/MXene凝胶的多功能柔性应变传感器，能够实时快速的响应人体的各种活动，识别书写笔画，实现信息的加密传输，在柔性智能可穿戴设备中显示出巨大的应用潜力。

4.本工作利用辐射技术建立一种简便高效，绿色环保，且可望规模化制备用于柔性电子器件的高性能聚离子液体凝胶复合材料的新方法。

图1. C_n-PIL/MXene凝胶的制备与表征

图2. C_n-PIL/MXene凝胶的导电性测试

图3. C_n-PIL/MXene凝胶的粘附性能

图4. C_n-PIL/MXene凝胶的机械性能和自愈合性能

图5. C_n-PIL/MXene凝胶的环境耐受性

图6. C₂-PIL/MXene凝胶的传感性能

图7. C₂-PIL/MXene凝胶的实际应用

图8. C₂-PIL/MXene凝胶的抗菌性研究

相关成果以“Radiation synthesis of rapidly self-healing, durable, and flexible poly(ionic liquid)/MXene gels with anti-freezing property for multi-functional strain sensors”为题发表在Chemical Engineering Journal（DOI:10.1016/j.cej.2023.143660）上。华中科技大学化学与化工学院博士研究生赵文超为本论文的第一作者，通讯作者为华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室/电气与电子工程学院赵龙教授。感谢国家自然科学基金(11875138)和华中科技大学分析测试中心。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143660

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