东华大学武培怡/孙胜童团队《Adv. Mater.》：离电液晶弹性体纤维可能让我们穿上人造皮肤成为现实

2022-08-30 11:00:46, 纽迈分析苏州纽迈分析仪器股份有限公司

离子传导是生命体系的生理活动过程中不可或缺的一部分，例如皮肤和神经纤维必须通过离子传导电信号实现环境感知和运动反馈。可拉伸离子导体是模拟弹性生物组织离子传输的重要材料，由此发展形成的“可拉伸离电学”在人造肌肉、仿生皮膜、软体机器人、可拉伸储能等领域得到了广泛关注。

近期，受“泳道”启发，通过离子传导迂曲度（tortuosity）调制，该研究团队设计了一种具有超高力学韧性的离电液晶弹性体纤维（LonoLCE），打破了常规可拉伸离子导体的固有机电耦合特性，实现了离子电导率随拉伸上千倍的提升，且这一变化过程完全可逆。这一离电纤维结构中含有交替排列的刚性液晶基元和柔性间隔基，引入的含氟疏水离子液体（BMIM PF6）仅与柔性间隔基相互作用。这一电导率增强效应甚至会导致在一定应变下纤维的电阻反常下降，实现了与常规电阻传感形式截然不同的波形传感。很巧的是低场核磁在这份研究中也贡献了自己一份小小的贡献。

图1. 受泳道启发构筑具有拉伸诱导离子电导率急剧增强效应的离电液晶弹性体。

离电液晶弹性体纤维直径仅1 mm左右，含有30 wt%相对含量的离子液体（与软段近乎1:1摩尔比），表观完全透明（透明度约92%）。力学表征显示，离电液晶弹性体纤维具有较低的初始模量（0.5 MPa）、极高的拉伸率（2700%）、良好的拉伸回复（99%回复率）以及极强的力学韧性，可轻松反复提取约1.5公斤的重物。拉伸20倍使得纤维离子电导率提升了1028倍。这一增强系数远超同类可拉伸离子导体（< 5倍）。

图2. 离电液晶弹性体纤维/薄膜的光学、力学和电学表征。

作者通过纽迈分析低场核磁氟谱、SAXS、红外、分子模拟等表征手段分析了离电液晶弹性体纤维电导率急剧增强效应的机理。研究发现，离子电导率提升主要发生在后软弹性区间（post-soft elasticity，应变>200%）。由于刚性液晶基元密堆积导致离子液体与液晶弹性体网络相容性变差，从而发生微弱的相分离，并形成了沿拉伸方向高度有序且相互贯通的离子纳米通道。从下图C中我们可以发现核磁结果证明应变>200%的样品出现了大量的弱结合作用的离子液体存在于大空隙的离子通道内。这些离子通道起到了类似 “泳道”的作用，使得离子（主要是PF6阴离子）这些“运动员”可以以最短时间通过。

图3. 离电液晶弹性体纤维电导率增强效应的结构解析。

电导率随拉伸急剧提升使得该离电液晶弹性体纤维具有反Pouillet定律预测的电阻变化曲线，在121%应变后电阻急剧下降，而618%应变后仅缓慢增长。这一特殊电阻变化可实现与常规离子导体传感器截然不同的波形传感，即拉伸至不同应变可反馈迥异的电阻变化波形。1500次循环拉伸测试表明，离电液晶弹性体纤维的波形传感具有极好的稳定性。

图4. 离电液晶弹性体纤维的电阻-应变曲线及波形传感。

液晶弹性体的液晶基元取向随温度可逆变化从而发生宏观变形，是模仿肌肉伸缩能力的典型仿生致动材料。有趣的是，将离子液体引入液晶弹性体网络后，离电液晶弹性体纤维仍然保持着极高的致动性能。

图5. 离电液晶弹性体纤维的致动性能及感知-致动协同响应。

该研究工作得到了国家自然科学基金重大项目、重点项目、上海市青年科技启明星等项目的资助与支持。德国于利希中子散射中心（JCNS）吴宝虎博士与东华大学冯训达研究员也参与了该研究。

参考文献

Yao M, Wu B, Feng X, et al. A highly robust ionotronic fiber with unprecedented mechanomodulation of ionic conduction[J]. Advanced Materials, 2021, 33(42): 2103755.

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