離子器件是一個由多學(xué)科交叉而成的新領(lǐng)域，基于離子傳導(dǎo)的新型柔性離子器件（如可穿戴觸控面板、柔性電致發(fā)光器件等）極大地豐富了電功能器件的種類，實現(xiàn)了傳統(tǒng)電子技術(shù)難以甚至不可能實現(xiàn)的功能，為柔性電子、軟體機器人的技術(shù)革新以及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了新的可能。近年來，柔性離子開關(guān)、離子二極管、離子晶體管等得到了有益的嘗試和探索，以匹配基于電子傳導(dǎo)而開發(fā)的各類功能器件。其中，開發(fā)具有離子導(dǎo)體-絕緣體轉(zhuǎn)變的可拉伸離子開關(guān)器件，可用于下一代柔性傳感器、驅(qū)動器、控制電路等離子器件，具有重要意義。然而，不同于電子器件的導(dǎo)體-絕緣體轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)可拉伸離子器件的導(dǎo)體-絕緣體轉(zhuǎn)變極具挑戰(zhàn)，其關(guān)鍵在于離子電導(dǎo)率的變化范圍要足夠大、變化速度要足夠快，同時材料本身拉伸性能足夠好。
圖1. 基于“相變離子凝膠”的柔性可拉伸離子開關(guān)設(shè)計示意圖。
基于此，香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院朱世平和張祺團隊提出了“相變離子凝膠”的概念，以實現(xiàn)柔性可拉伸離子器件的導(dǎo)體-絕緣體轉(zhuǎn)變。這種相變離子凝膠由柔性高分子基體和相變離子液體組成，其中柔性高分子基體賦予材料優(yōu)異的拉伸性能，相變離子液體則用以實現(xiàn)離子導(dǎo)體絕-緣體可逆轉(zhuǎn)變。在相轉(zhuǎn)變溫度之上，離子在熱能的驅(qū)動下在高分子網(wǎng)絡(luò)間可自由遷移，電導(dǎo)率高，為導(dǎo)體；而在相轉(zhuǎn)變溫度以下，離子則被“固定”在所形成的晶格中難以自由遷移，電導(dǎo)率低，為絕緣體。離子液體的一級相變提供了大范圍的離子電導(dǎo)率變化，同時離子凝膠本身具有優(yōu)異的可拉伸性能。理論上，組成離子液體的不同陰陽離子組合近乎無數(shù)種，使得相變溫度可從分子層面精確設(shè)計與調(diào)控。相變離子凝膠很容易設(shè)計成透明器件，可非常方便的用于光學(xué)離子器件領(lǐng)域。此外，相變離子凝膠避免了水凝膠的易揮發(fā)、不耐高溫等問題，因此環(huán)境穩(wěn)定性高。
圖2.相變離子凝膠的合成（a-b）與表征（c-e）
該團隊將熔點在室溫附近的離子液體1-甲基-3-甲基咪唑雙三氟甲基磺酰亞胺鹽（MMITFSI; Tm?= 22?℃）引入到高分子柔性基體丙烯酸丁酯-丙烯酸六氟丁酯共聚物（PBA-co-FBA）中 ，采用光引發(fā)聚合成功制備了透明（透光率97%）、柔性可拉伸（拉伸形變840%）的相變離子凝膠。
圖3.柔性可拉伸離子開關(guān)的性能（a）和阻抗譜表征（b-e）。
通過電化學(xué)阻抗譜的表征，所制備的柔性可拉伸離子開關(guān)在-15℃附近發(fā)生導(dǎo)體-絕緣體可逆轉(zhuǎn)變，本體離子電導(dǎo)率變化可達(dá)7個數(shù)量級，同時循環(huán)性能良好。進(jìn)一步將這種相變離子凝膠應(yīng)用到長儲電容中，成功實現(xiàn)了電容能量的智能存儲。該方法為設(shè)計下一代柔性離子器件提供一種新思路，在柔性離子開關(guān)、長儲電容等領(lǐng)域顯示了潛在的應(yīng)用。
該研究成果“Stretchable, Phase-Transformable Ionogels with Reversible IonicConductor–Insulator Transition”近期發(fā)表在Advanced Functional Materials，香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院明小慶博士和石磊博士為論文共同第一作者，通訊作者為香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院助理教授張祺博士。該工作同時得到了香港中文大學(xué)（深圳）朱世平教授的指導(dǎo)與大力支持。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202005079
