背景介绍
柔性传感器是一种智能化、可扩展、可穿戴的传感器，在可穿戴电子产品、健康医疗设备、假肢、人机交互、智能机器人等领域得到了广泛的开发和应用，可完全贴在各种不规则表面，将外界机械变形转化为易于传输和处理的电、光等信号。离子凝胶是将离子液体固定在固体基质中，不仅具有出色的柔韧性，而且保留了离子液体的低挥发性和高导电性等优点，被广泛应用于柔性传感器。通过聚合物表面基团的相互作用赋予了离子凝胶极强的粘附力，可以在没有外界粘附材料辅助的情况下粘附于基底表面。
成果简介
本文通过聚二烯丙基二甲基氯化铵( PDDA )和丙烯酸（PAA）的静电相互作用以及导电聚多巴胺修饰的聚吡咯纳米颗粒( PPy-PDA NPs)的掺入，制备了具有近红外( NIR )光控粘附的离子凝胶。PPy-PDA NPs可以削弱聚合物链之间的强韧相互作用，降低离子凝胶的杨氏模量，从而促进离子凝胶的超柔软( 34 kPa )和高拉伸( 1013% )性能。此外，PPy-PDA NPs的高光热转换能力保证了离子凝胶优异的NIR -光控粘附性和温度敏感性，实现了离子凝胶的按需去除，保证了可靠的热稳定性。
图文导读
图1. 离子凝胶的合成及化学结构
图2. ( a , b)PPy-PDA NPs在水中的SEM照片及粒径分布。( c )离子凝胶前驱体溶液的透过率-时间曲线(插图:前驱体溶液拍摄4小时的照片)。( d , e) PAA、PAA / PDDA (PP)、PAA / PDDA / PPy-PDA NPs (PPN)和不同PPy - PDA NPs含量的离子凝胶的机械性能。( f ) PPN离子凝胶在40%应变下的循环应力-应变曲线。( g ) 3种离子凝胶在15 kPa压力下的机械弛豫。( h )不同PPy-PDA NPs含量的离子凝胶的压力-压缩曲线。( i ) PPN离子凝胶在2.26 kPa压力下的压缩循环稳定性。
图3. PPN离子凝胶对近红外光的响应。( a )不同PPy-PDA NPs含量的PPN离子凝胶在激光照射下的升温过程。( b ) PPN离子凝胶在不同功率密度( 0.2~1.0 W·cm2)下的升温。( c )不同激光功率密度下的热像图。( d )不同辐照距离下的温度和相对电流变化。( e )不同功率密度下温度和相对电流的变化。( f )连续三次ON-OFF循环的响应时间。
图4. PPN离子凝胶的粘附性能。( a ) PPN离子凝胶在不同基底上的粘附性能。( b ) PPN离子凝胶与玻璃的粘附机理。( c ) PPN和PP离子凝胶与不同材料的粘附性能比较。( d ) PPN离子凝胶与皮肤的粘附照片。( e )不同功率密度的近红外光下PPN在玻璃上的最大搭接剪切强度。( f ) PPN离子凝胶分别在20 °C和50 °C保存后的溶液保持能力。
图5. 离子凝胶传感器的温敏性能。( a )不同温度下离子凝胶的电导率。( b )不同温度下离子凝胶的相对电流变化。( c ) 35 °C和45 °C温度偏差循环中的相对电流变化。相对电流变化为( d-f )人体发热、手机和插线板使用时变热。
图6. PPN离子凝胶应变传感器的电学性能。( a ) PP和PPN离子凝胶应变传感器的相对电阻变化。( b )机电滞后。( c )传感器在不同拉伸应变下的电学响应。( d )不同拉伸频率下传感器的频率依赖行为。( e )传感器在微小拉伸(拉伸速度: 330 mm·min-1)时的响应时间。( f )传感器在40%拉伸应变( 查图：放大稳定性能)下的电循环稳定性。
图7. PPN离子凝胶压力传感器的电学响应。( a ) 0 ~ 29.4 kPa压力范围内的相对电流变化。( b )机电滞后。( c )传感器在不同压力下循环四次的电学响应。( d )不同频率下传感器的相对电流变化。( e )传感器在微小压力下的响应时间。( f )传感器在2.26 kPa压力(插图:放大稳定性能)下的电循环稳定性。
图8. ( a )手指分别在30 °、60 °和90 °弯曲时离子凝胶传感器的压阻响应。( b )腕关节两个方向弯曲时的相对电阻变化。( c、d)对手臂弯曲和膝关节弯曲的电阻响应曲线。( e , f)咽喉吞咽和眨眼的电流响应曲线。
通讯作者简介
第一作者：
雷兵，聊城大学物理科学与信息工程学院2020级硕士研究生，师从李淑红副教授、王文军教授、董晓臣教授、王倩副教授
通讯作者：
董晓臣，南京工业大学教授、博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者，教育部新世纪优秀人才、江苏特聘教授、江苏省“333”工程第二层次培养对象、江苏省“双创计划”入选者。现任江苏师范大学党委常委、副校长。研究方向是生物光电子学、碳基纳米材料、半导体电子器件、新型能源材料、电化学生物传感等。以通讯作者或第一作者身份在先后在Advanced Materials， Physical Review Letters，ACS Nano等国际顶级期刊发表SCI论文90多篇，他引1850多次，单篇最高引用150次，HI因子26。申请发明专利11项，多次参加国际学术会议。2012年获“江苏特聘教授”，2013年获“江苏省杰出青年基金”。
李淑红，聊城大学副教授，硕士生导师；1996年6月毕业于聊城师范学院（现聊城大学），获物理学学士学位；2003年6月毕业于复旦大学，获光学硕士学位，2011年1月毕业于中国科学院上海光学精密机械研究所，获光学工程博士学位；2015年12月至2016年12月，美国田纳西大学访问学者。承担过的本科与研究生课程有：量子力学、大学物理学、高等物理光学等，其中量子力学为聊城大学校级精品课程。主要从事有机光电子材料与器件的研究工作。先后在Nanoscale Research Letters， Optics Communications，Thin Solid films，Applied Optics等国际学术期刊上发表论文20余篇。作为主要研究人员参加国家自然科学基金面上项目3项，承担山东省自然科学基金项目1项。
文章信息
Lei B, Cao L, Qu X, et al. Thermal-sensitive ionogel with NIR-light controlled adhesion for ultrasoft strain sensor. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-022-5151-3.
(审核：刘才龙)