南方科技(ji)大學(xue)葛(ge)锜教授(shou)團(tuan)隊(dui)：高電(dian)導(dao)率(lv)、大變形光(guang)固(gu)化(hua)3D打印離(li)子凝(ning)膠

由於(yu)優(you)異的(de)離(li)子導(dao)電(dian)性(xing)、可拉伸性(xing)和(he)熱(re)穩定(ding)性(xing)，離(li)子凝(ning)膠成(cheng)為構(gou)建離(li)電(dian)器(qi)件的(de)理(li)想材料(liao)。通過合理(li)的(de)結(jie)構設計(ji)能(neng)夠(gou)顯(xian)著的(de)提(ti)高器(qi)件的(de)傳感(gan)性(xing)能(neng)。然(ran)而(er)，目前離(li)子凝(ning)膠結(jie)構的(de)加(jia)工(gong)主(zhu)要依(yi)賴於(yu)模板法(fa)，這壹(yi)過程(cheng)繁(fan)瑣耗(hao)時(shi)，限制了結(jie)構的(de)幾何復雜性(xing)。相(xiang)比之下，基(ji)於(yu)數(shu)字光(guang)處(chu)理(li)（digital light processing，DLP）的(de)3D打印技(ji)術能(neng)夠(gou)實現(xian)復雜三(san)維(wei)結(jie)構的(de)快(kuai)速(su)成(cheng)型(xing)，因(yin)此(ci)在(zai)制造(zao)高精(jing)度的(de)離(li)子凝(ning)膠微(wei)結(jie)構方(fang)面具(ju)有(you)很大的(de)優(you)勢。盡(jin)管(guan)如此(ci)，目前開(kai)發的(de)光(guang)固(gu)化(hua)離(li)子凝(ning)膠在(zai)同(tong)時(shi)獲(huo)得優異的(de)機械性(xing)能(neng)和(he)高電(dian)導(dao)率(lv)方(fang)面(mian)仍(reng)面臨(lin)挑戰。

針對這壹(yi)問題(ti)，南方科技(ji)大學(xue)機械與能(neng)源(yuan)工程(cheng)系葛(ge)锜教授(shou)開發了壹(yi)種高電(dian)導(dao)率(lv)、大變形的(de)光(guang)固(gu)化(hua)離(li)子凝(ning)膠。通過光(guang)聚合誘導(dao)的(de)微(wei)相(xiang)分離(li)策(ce)略，離(li)子凝(ning)膠內(nei)部(bu)形成(cheng)了導(dao)電(dian)納(na)米(mi)通道和(he)交(jiao)聯(lian)聚(ju)合物骨架(jia)交(jiao)錯(cuo)分布(bu)的(de)雙(shuang)連(lian)續(xu)相(xiang)納米(mi)結(jie)構，在(zai)不(bu)犧(xi)牲材料(liao)力學(xue)性(xing)能(neng)的(de)前提(ti)下，將(jiang)離(li)子凝(ning)膠的(de)電(dian)導(dao)率(lv)提(ti)高到了3.2 S/m。

相(xiang)關(guan)成(cheng)果以“Highly Conductive and Stretchable Nanostructured Ionogels for 3D Printing Capacitive Sensors with Superior Performance"為題(ti)發表(biao)在(zai)學(xue)術期(qi)刊《Nature Communications》上(shang)，南方科技(ji)大學(xue)機械與能(neng)源(yuan)工程(cheng)系博士(shi)研究(jiu)生何(he)向(xiang)楠為第(di)壹(yi)作(zuo)者(zhe)，葛(ge)锜教授(shou)為通訊(xun)作(zuo)者(zhe)，南方科技(ji)大學(xue)為論(lun)文第(di)壹(yi)單(dan)位。

研(yan)究團(tuan)隊(dui)開發了壹(yi)種具(ju)有(you)雙連(lian)續納米(mi)結(jie)構的(de)光(guang)固(gu)化(hua)離(li)子凝(ning)膠，在(zai)離(li)子傳輸通道和(he)剛(gang)性(xing)聚(ju)合物嵌(qian)段(duan)的(de)協(xie)同(tong)作(zuo)用下，離(li)子凝(ning)膠可同時(shi)實現(xian)高離(li)子電(dian)導(dao)率(lv)與高機械性(xing)能(neng)（圖(tu)1）。離(li)子凝(ning)膠表(biao)現(xian)出優(you)異的(de)導(dao)電(dian)性(xing)（> 3 S/m）、高透(tou)明(ming)性(xing)（可見光(guang)區(qu)域透過率(lv)> 90%）和(he)良(liang)好(hao)的(de)拉(la)伸性(xing)（> 1000%），且(qie)遲(chi)滯(zhi)度低(di)（50%應變時(shi)遲(chi)滯(zhi)度為0.4%），同(tong)時(shi)具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)熱(re)穩定(ding)性(xing)（-72 ~ 250℃）。

離(li)子凝(ning)膠前驅體(ti)溶液粘(zhan)度低(di)、光(guang)固(gu)化(hua)速(su)度快(kuai)，能夠(gou)很好的(de)適(shi)配(pei)光(guang)固(gu)化(hua)3D打印系統。研(yan)究(jiu)團(tuan)隊(dui)采(cai)用摩(mo)方精(jing)密(mi)nanoArch®S130（精度：2 μm）3D打印設備(bei)，可以打印出寬(kuan)度為5 μm的(de)高精(jing)度線(xian)條(tiao)，以及(ji)特(te)征(zheng)尺(chi)寸(cun)為50 μm的(de)復雜三(san)維(wei)Gyroid結(jie)構，並(bing)利用摩(mo)方精(jing)密(mi)microArch®S240（精度：10 μm）3D打印設備(bei)打印了大尺(chi)寸(cun)的(de)Octet truss結(jie)構。因(yin)為離(li)子凝(ning)膠的(de)在(zai)寬(kuan)溫度範圍(wei)內具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)穩定(ding)性(xing)，所以(yi)3D打印的(de)離(li)子凝(ning)膠結(jie)構在(zai)高溫(wen)和(he)低(di)溫(wen)環(huan)境(jing)下都(dou)能(neng)保(bao)持良(liang)好(hao)的(de)導(dao)電(dian)性(xing)和(he)拉(la)伸性(xing)（圖(tu)2）。

通過有(you)限元(yuan)模擬，研(yan)究(jiu)團(tuan)隊(dui)發現(xian)梯度結(jie)構可以提(ti)高離(li)子凝(ning)膠結(jie)構的(de)可壓(ya)縮(suo)性(xing)，利用摩(mo)方精(jing)密(mi)microArch®S240（精度：10 μm）3D打印設備(bei)打印了高精(jing)度的(de)梯度半球結(jie)構，能(neng)夠(gou)顯(xian)著增加(jia)電(dian)極與離(li)子凝(ning)膠結(jie)構之間的(de)接(jie)觸面(mian)積(ji)，可以改善(shan)離(li)子電(dian)容傳感(gan)器(qi)的(de)靈(ling)敏(min)度和(he)線(xian)性(xing)度（圖(tu)3）。3D打印離(li)子電(dian)容傳感(gan)器(qi)響應時(shi)間短，具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)機械耐(nai)久(jiu)性(xing)，在(zai)長(chang)期(qi)或循環使用中能(neng)夠(gou)保(bao)證穩定(ding)的(de)信號(hao)輸出。

3D打印離(li)子傳感(gan)器(qi)具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)靈(ling)敏(min)度和(he)穩定(ding)性(xing)，在(zai)高溫(wen)和(he)低(di)溫(wen)環(huan)境(jing)下都(dou)具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)傳感(gan)性(xing)能(neng)，將(jiang)其集(ji)成(cheng)到機械手(shou)上(shang)，可以在(zai)-30°C到150°C的(de)寬(kuan)溫度範圍(wei)內監(jian)測(ce)機械手(shou)抓取物(wu)體(ti)過程中的(de)信號(hao)變化(hua)。由3D打印離(li)子傳感(gan)器(qi)組(zu)成(cheng)的(de)4 × 4傳感(gan)陣(zhen)列(lie)可精確(que)識別物體(ti)的(de)放置(zhi)方位及(ji)物(wu)體(ti)與傳感(gan)器(qi)之間的(de)接(jie)觸形狀(zhuang)，具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)空(kong)間分(fen)辨(bian)率(lv)，能夠(gou)應用於(yu)多(duo)種傳感(gan)場景(jing)（圖(tu)4）。