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      1. 搜刮 :  
        哈佛大年夜 学锁志刚传授 课题组综述:水凝胶离电器件
        2018-05-16  来源 :中国聚合物网

          吃过果冻吧?吃过豆腐吧?又或吃过QQ糖吧?你肯定 还用过充电线给手机充电;又或把耳机连接 得手机上来听歌吧?那末,你可曾想过,能吃的又Q又弹的QQ糖,其实也是可以用来作为耳机线听歌的!果冻、豆腐和QQ糖,从定义 上来讲都属于水凝胶。水凝胶是可以导电的。一个典范 的水凝胶导电例子就是人的神经(也是水凝胶)传递生物电旌旗灯号 。耳机线传递音乐旌旗灯号 的进程 实际 上就是耳机线中的金属导线(如铜导线)传递电旌旗灯号 的进程 。如许 ,用可以导电的水凝胶来代替 金属导线传递电旌旗灯号 ,即用QQ糖代替 铜导线来作为耳机线听歌也就不难解 得 了。水凝胶主如果 基于离子导电的。把水凝胶和基于电子导电的器件耦合起来,就是水凝胶离电器件。

          几十亿年来,地球上的生物体重要 都是利用 离子来传递电旌旗灯号 ;而近几百年来,人类创造 的机械则主如果 利用 电子来传递电旌旗灯号 。天然 的演变 催生了复杂 的基于离子导电的生物体系 ;而人类社会的成长 则产生 了复杂 的基于电子导电的机械体系 。但是,离子与电子其实不总是 分开 运作的;在很多 利用 中,他们是耦合在一路 合营 起感化 的。例如,在电心理 学研究 中,电子器件被用来丈量大年夜 脑、心脏和肌肉等离子体系 (图1a);再比如 ,平常生活 中常常利用 的电池,超等 电容器和燃料电池等,也都耦合了离子与电子。离子与电子的耦合增进 了一种新型器件-离电器件-的研究 与成长 。特别 地,水凝胶离电器件,顾名思义,是基于水凝胶实现的离电器件。

        水凝胶离子导体

          水凝胶由聚合物搜集 和水构成 。根据 这个定义 ,人体、动植物的大年夜 部份 器官和组织,和生活 中常见的食品(果冻,豆腐、面筋等)和平常常使用品(隐形眼镜等),都是水凝胶。聚合物搜集 使得水凝胶具有弹性体的性质,可以遭受 载荷和变形;水又付与 了水凝胶液体的性质,可以消融 各类 物质 ,许可 物质 在水凝胶中分散。水凝胶具有十分广泛 的利用 ,如尿不湿、化装 品、细胞培养 、组织再生、药物运输等。然则 ,传统的水凝胶利用 重要 基于其良好 的光学、力学、化学和生物性能 ,而忽视 了其电学性能 。

          水凝胶可以消融 盐,盐消融 后产生 的离子进步 了水凝胶的导电性能 。由于 聚合物搜集 可拉伸,水具有很高的透明度。是以 ,水凝胶是一种透明、可拉伸的离子导体(图1b)。

          在离电器件中,当水凝胶与电子导体如金属相接触时,水凝胶中的离子与金属中的电子会在界面处构成双电层(图1c)。平日 情况 下,离电器件是基于不法 拉第电流工作的,即在双电层界面处不克不及 有物质 或电荷交换 ,不然 ,双电层被破坏 ,离电器件掉 效。例如,当有电子经过进程 时,水凝胶中的水被电解或离子被氧化(或还原),这既会改变 水凝胶的构成 ,又影响器件的性能 。稳定 的双电层在离电器件中等效于一个平行板电容器。由于 离子与电子的间距异常 小(1?量级),是以 这个双电层具有异常 大年夜 的电容,~10-1 F/m2。

        图1 水凝胶离子导体【1】

        水凝胶离电器件

          水凝胶离电器件的一个重要 主题是模仿 神经肌肉和感知神经的功能 。在人的神经体系 中,生物电旌旗灯号 是经过进程 离子来传递的。如图2所示,当一小我 的脚踩到钉子上时,皮肤上的力感知细胞感知到接触,并产生 一个电旌旗灯号 ,这个电旌旗灯号 沿着神经传递到中枢神经;中枢神经做出反响 ,并产生 一个反馈旌旗灯号 ,向两个偏向 传递,个中 一路旌旗灯号 向上传递给大年夜 脑,使大年夜 脑感知到痛楚 悲伤 ,另外一路旌旗灯号 向下传递给大年夜 腿肌肉,使肌肉紧缩 ,从而抬起脚。全部 进程 的电旌旗灯号 依附 离子进行传递。

        图2 踩到钉子时的人体反响

          水凝胶离电器件可以分别 以人造肌肉、人造皮肤和人造神经的方法 模仿 上述进程 中肌肉、皮肤和神经的功能 。另外,第一代水凝胶离电器件还包括 电致发光器件、电子光学器件、触摸屏、磨擦起电发机电、人工电鳗和GEO器件。

         1、人造肌肉

          人体的肌肉将化学能转化为机械能。基于水凝胶的人造肌肉(平日 又被称为介电弹性体驱动器)将电能转化为机械能。这类人造肌肉由一层弹性体和两层水凝胶构成 ,个中 弹性体夹于两层水凝胶中(图3a)。弹性体是介电体,水凝胶是导体,整体三明治构造 构成 了一个电容。两层水凝胶分别 经过进程 两条金属导线连接 到外部电源。当施加电压时,金属中的电子和水凝胶中的离子朝着/背离二者之间界面的偏向 活动 ;同时,极性相反的离子分别 在弹性体与水凝胶之间的两个界面集合 。极性相反的离子之间相互 吸引,导致弹性体厚度减小,面积变大年夜 。 水凝胶的高度透明和可拉伸性能 付与 了人造肌肉新的功能 ,例如,基于水凝胶,可以实现透明的扬声器、水下隐身的人造机械 鱼和软机械 人。

        图3 人造肌肉、人造皮肤、人造神经【1-4】

        2、人造皮肤

          人的皮肤散布 有很多 传感器,可以感知压力、变形、温度和湿度等。基于水凝胶的人造皮肤可以感知压力和变形。这一人造皮肤也是由两层水凝胶和一层弹性体构成 (图3b)。个中 ,两层水凝胶连接 到一个电容表上。由于 双电层电容的电容值比弹性体电容的电容值大年夜 很多,所以,人造皮肤的电容值重要 由弹性体电容决定 ,C ~ εEAE/HE。当施加一个压力或拉伸变形时,弹性体的厚度减小,面积变大年夜 ,导致电容变大年夜 。取决于所利用 的水凝胶、弹性体和电路设计,基于水凝胶的人造皮肤可以在变外形 态下工作,或感知多点触摸,和实现自我修复等。

        3、人造神经

          神经体系 传递生物电旌旗灯号 ,调和 散布 在人体各个部位的组织、器官。神经元是其根本 构造 和性能单位 。神经元细胞中,电旌旗灯号 沿着长长的轴突传递,终究传递给下一个神经元细胞。轴突一般包裹着一层髓磷脂。髓磷脂是一层介电体,将轴突表里 的电解质绝缘开。基于水凝胶的人造神经模仿 了神经传递电旌旗灯号 的功能 ,并在一定 程度 上模仿 了其解剖 学构造 。人造神经过两条水凝胶和一层弹性体构成 (图3c)。个中 ,弹性体的功能 模仿 髓磷脂的功能 ,而两层水凝胶则模仿 了轴突表里 的电解质。人造神经的一端作为输入端可以连接 到一个外部电源,另外一端作为输出端可以连接 到一个负载Z上。当施加一个交换 电旌旗灯号 时,电旌旗灯号 沿着人造神经从一端传递到另外一端。电压的传递遵照 分散方程:?υ/?t=D?2υ/?x2,个中 D是电旌旗灯号 的分散系数。研究 注解 ,电旌旗灯号 从人造神经的一端传递到另外一端时,不须要 离子从一端分散到另外一端;离子只须要 做局部的活动 便可以够使得电场沿着人造神经快速传递。

        4、电致发光器件

          光学器件要求 导体既有导电性,又有高透明度。传统的透明电极如ITO导电玻璃造价昂贵易摔碎。水凝胶既具有优越 的导电性,又具有很高的透明度,是空想 的光学器件电极;另外,水凝胶良好 的拉伸性使得柔性可拉伸的光学器件成了可能。

        图4 水凝胶离电器件:电致发光器件和电子光学器件【1,5,6】

          在电致发光器件中,发光体在电流或交变电压的感化 下发光。个中 ,在交变电压下发光的发光体不须要 外部的电子注入,而是在交变电压感化 下在其内部原位产生 电子和空穴对;电子和空穴重新 结合 后以光子的情势 释放出能量。是以 ,水凝胶可以用来驱动这一类电致发光器件。器件具有夹心构造 :一层发光体bst818贝斯特官方网站 夹于两层弹性体中心 ,然后再夹于两层水凝胶之间(图4a)。当施加交变电压时,极性相反的离子产生 交变电场,感化 于发光体,使发光体发光。水凝胶和弹性体都是透明、可拉伸的,而发光体颗粒很小(图4b),不会束缚 变形,是以 器件也是可拉伸的(图4c)。

        5、电子光学器件

          在电子光学器件中,功能 bst818贝斯特官方网站 如液晶等可以调理光的各类 性质,如相位、偏振、幅值和频率等。传统的电子光学器件大年夜 都采取 ITO导电玻璃做电极。由于 液晶等功能 bst818贝斯特官方网站 是在电场感化 下响应的,是以 可以用水凝胶来驱动液晶器件(图4d)。初始时,液晶份子随便 任性 取向,折射/反射掉 落 入射光线,器件不透明;当施加交变电压时,极性相反的离子产生 交变电场,感化 于液晶,使液晶份子沿着电场偏向 取向分列 (图4e),许可 入射光线经过进程 ,器件变透明(图4f)。水凝胶和弹性体都是透明可拉伸的,而液晶不会束缚 变形,是以 器件也是可拉伸的。

        6、触摸屏

          水凝胶可以用作柔性透明触摸屏。例如,对一个1D的水凝胶触摸屏,其两端 分别 经过进程 两个电流表连接 到一个交换 电源(图5a)。当一个手指碰着 水凝胶上的一个点时,会改变 电路的散布 ,引发电流变更 。电流的变更 和触摸点的地位 有关,经过进程 两个电流表丈量电流的变更 ,便可以够肯定 触摸点的地位 。

        图5基于水凝胶的触摸屏、磨擦起电发机电、人工电鳗、GEO器件【1,7-10】

        7、磨擦起电发机电

          水凝胶可以制造 磨擦起电发机电。例如,把一块水凝胶置于弹性体中,水凝胶经过进程 金属导线与一个外部负载R连接 ,并终究接地(图5b)。当一块介电体轮回 地接近 /阔别弹性体时,水凝胶中离子的活动 和水凝胶与金属导线之间的电容耦合使得电子周期性地在金属导线和地之间活动,从而产生 交变电流。基于水凝胶可以实现高度透明、可拉伸的磨擦起电发机电。

        8、人工电鳗

          电鳗可以刹时 产生 幅值高达600V的电压和1A的电流。这重要 得益于其皮肤上不计其数的串连的具有离子浓度梯度的渺小 构造 单位 。水凝胶可以用来实现人工电鳗。例如,把盐浓度高的水凝胶,阳离子透过型水凝胶,盐浓度低的水凝胶,阴离子透过型水凝胶和盐浓度高的水凝胶顺次堆叠起来,就构成了一个具有离子浓度梯度的构造 单位 (图5c)。在接触时,离子浓度梯度会产生 一个开路电压。经过进程 把多个反复 的构造 单位 串连起来可以增大年夜 开路电压。

        9、GEO器件

          在水凝胶驱动的人造肌肉中引入液态的介电bst818贝斯特官方网站 ,集成凝胶(gel)、油(oil)和弹性体(elastomer),就取得 了GEO器件。当施加电压时,极性相反的离子的相互 吸引挤压液态介电bst818贝斯特官方网站 ,使其流向四周 的区域,产生 静水压力,驱动器件变形。液态介电bst818贝斯特官方网站 在电击穿后可以自我修复,避免了器件掉 效。

        水凝胶离电器件的bst818贝斯特官方网站 科学

        1、软bst818贝斯特官方网站 粘接

        水凝胶离电器件集成了水凝胶和弹性体:水凝胶发挥 导体的感化 ,弹性体发挥 介电和封装的感化 。水凝胶含有大年夜 量的水和亲水聚合物搜集 ;而弹性体平日 由疏水的聚合物搜集 构成 。是以 ,水凝胶与弹性体之间的粘接性能 一般异常 弱,其粘接能平日 不高于1 J/m2,远远低于水凝胶和弹性体的断裂能(>1000 J/m2)。经过进程 在水凝胶与弹性体之间引入恰当 强度的与二者搜集 的交联密度一致 希少 的第三层搜集 ,可以大年夜 大年夜 增长 粘接强度(图6)。假设 界面粘接足够强,那末在水凝胶/弹性体中引入耗散机制来进步 水凝胶/弹性体的韧性可以进一步进步 粘接强度。

        图6 水凝胶与弹性体的粘接【1,11,12】

          传统的增进 水凝胶与弹性体之间粘接的办法 是对弹性体外面 进行亲水处理 ,其道理 是将甲基等疏水基团转化成羟基等亲水基团。但是,这类办法 平日 不克不及 取得 很高的粘接能,由于即使有一层水份子可以稳定 地粘接到弹性体外面 ,水凝胶中绝大年夜 部份 的水份子之间的相互 感化 依然很弱。最新提出的实现水凝胶与弹性体之间高强度粘接的办法 包括 胶水粘接法、原位聚合法 和硅烷偶联法。

        2、水凝胶保水

          水凝胶在空气中轻易 掉 水变干。在水凝胶中消融 具有保湿才能 的盐,构成水和离子,可以着落 水的蒸气压从而减缓/克制 水的蒸发。固然 消融 了盐的水凝胶不轻易 干,然则 水凝胶在空气中会随着 情况 湿度的变更 而赓续 地吸水或掉 水,导致水凝胶性能 的波动。在水凝胶外面包裹一层薄薄的弹性体层,既不影响水凝胶的透明度和拉伸性,同时又可以起到保水的感化 。然则 ,在份子标准 上,弹性体搜集 其实就跟液体一样,许可 比其搜集 孔洞尺寸小的份子自由分散。所以,包裹一层弹性体层可以减缓,但不克不及 阻止 水凝胶掉 水。 把上述两种办法 结合 起来便可以够解决水凝胶的掉 水问题,同时保持 其稳定 的性能 (图7)。

        图7 水凝胶的保水【1,13】

          除保水问题之外,当水凝胶与其他溶液或生物组织接触时,还面对 一个物质 交换 的问题,即水凝胶中的水、离子等物质 会跑出去,而外部情况 中的物质 会进入水凝胶。在水凝胶外面包裹一层弹性体很有须要 ,可以克制 物质 交换 。

         3、水凝胶的疲惫

          在实际 利用 中,水凝胶弗成 避免地要遭受 来去 的加卸载,是以 ,研究 水凝胶的疲惫 对水凝胶行动 的猜想 和指导 水凝胶bst818贝斯特官方网站 的合成具有重要 的指导 意义。研究 水凝胶的疲惫 有两种方法 :对一块完全 的水凝胶进行轮回 加载和对一块带有预制裂纹的水凝胶进行轮回 加载。前者会导致水凝胶力学性能 弗成 逆的变更 ,如弹性模量的着落 ,称为疲惫 破坏 (图8a)。后者会导致裂纹的逐渐增长 ,并终究导致水凝胶断裂,称为疲惫 断裂(图8b)。

        图8 水凝胶的疲惫 【1,14】

          水凝胶的化学构成 对其疲惫 断裂有重要 影响。每个加卸载周期中裂纹扩大 的大年夜 小,da/dN,是能量释放率,G,的递增函数(图8c)。当da/dN很大年夜 时,G趋势 于断裂能;当da/dN很小时,G趋势 于一个疲惫 临界点,G0。当G小于G0时,轮回 加载下裂纹不会扩大 。对由一个共价搜集 和一个耗散搜集 构成 的双搜集 韧性水凝胶,虽然其断裂能很高,但其疲惫 临界点和单一的共价搜集 差别 其实不大年夜 。

          水凝胶作为透明、可拉伸的离子导体,催生了很多 新的利用 。第一代水凝胶离电器件的成长 ,启发 了包括 软bst818贝斯特官方网站 粘接、水凝胶保水与水凝胶疲惫 等bst818贝斯特官方网站 科学的研究 。随着 对水凝胶离电器件研究 的深入 ,水凝胶3D打印等技能 的成长 ,下一代水凝胶离电器件会有更广泛 的利用 ,如软体机械 人、可穿着设备 和可植入器件等,和启发 更多的bst818贝斯特官方网站 科学问题。

          水凝胶离电器件的研究 方才 开端 ,充斥 了机会 和挑衅 。

          这一综述揭橥 在Nature Reviews Materials上。哈佛大年夜 学博士后杨灿辉是该论文的第一作者,哈佛大年夜 学,美国工程院院士锁志刚传授 是通讯 作者。综述中提到的很多 原创性的工作是在哈佛大年夜 学西安交通大年夜 学完成的。

        参考文献

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        论文信息与链接:

        Can Hui Yang, Zhigang Suo, Hydrogel ionotronics, Nature Reviews Materials, 2018, 

        DOI: 10.1038/s41578-018-0018-7.

        https://www.nature.com/articles/s41578-018-0018-7

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