針對現(xiàn)有軟離子導體較少兼具力學穩(wěn)定性及環(huán)境穩(wěn)定性的問題，浙江大學工程力學系曲紹興教授與賈錚教授課題組研發(fā)了一種新型離子液體凝膠，該材料可在潮濕環(huán)境與力學載荷長期作用下保持穩(wěn)定，成果以《Ambiently and Mechanically Stable Ionogels for Soft Ionotronics》為題發(fā)表在材料領域知名期刊Advanced Functional Materials上。他們將酯類單體乙二醇甲醚丙烯酸酯（MEA）、丙烯酸異冰片酯（IBA）和離子液體1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽([C₂mim][NTf₂])混合（如圖1a所示），通過自由基聚合的方法，制備了一種新型的離子液體凝膠。該材料中高分子網(wǎng)絡與離子液體間可形成氫鍵，使得離子液體不易泄露，而該離子液體的疏水性賦予了離子液體凝膠在潮濕環(huán)境中的穩(wěn)定性。該離子液體凝膠的導電率在10⁻⁴ - 10⁻⁵ S cm⁻¹之間（圖1b），拉伸性超過2000%（圖1c），且具有良好的回彈性（圖1d-e）。

圖1. 新型離子液體凝膠的基本物理性質。

穩(wěn)定性方面，該新型離子液體凝膠的分解溫度約為200℃（圖2a），在100℃的高溫環(huán)境下可以長時間（連續(xù)測試時間為5天）保持穩(wěn)定的重量（圖2b）；該離子液體凝膠還具備較好的抗低溫能力，其玻璃化轉變溫度可低至-60℃（圖2c），因此該材料在低溫（-30℃）下仍表現(xiàn)出良好的彈性行為（圖2d）。為展示材料的環(huán)境與力學穩(wěn)定性，作者對比了該離子液體凝膠和PAAm水凝膠（含8mol/L氯化鋰）在25℃、相對濕度90%環(huán)境下的重量變化：長時間暴露在90%的相對濕度下，該離子液體凝膠的重量幾乎沒有變化，相比之下，水凝膠的重量變化可達300%左右；在約4 kPa的壓力作用下，該離子液體凝膠的重量仍幾乎不變，相比之下，水凝膠在同等的條件下會逐漸失去原重量20%-30%的水分。

圖2.新型離子液體凝膠的力學穩(wěn)定性與環(huán)境穩(wěn)定性。

電學性能方面，該離子液體凝膠在空氣環(huán)境中放置24小時后可以保持95%以上的導電率（圖3a-b）；相比之下，未經(jīng)保護的水凝膠經(jīng)過24小時則會基本失去導電性（圖3c-d）。該離子液體凝膠的高熱穩(wěn)定性和抗低溫能力，使得該材料在高溫和低溫(-45℃至100℃)環(huán)境下均具導電性（圖3e）。除此之外，該材料的電化學窗口為3.5伏，遠高于基于水凝膠的離子導體的電化學窗口（圖3f）。

圖3.新型離子液體凝膠的電學性能。

力學性能方面，當拉伸應變率在0.07-0.27 s^-1之間變化時，該離子液體凝膠的斷裂應變均超過2000%（圖4a）。當共聚物和離子液體的配比在4:1-1:1之間變化時，該離子液體凝膠的楊氏模量在102-20 kPa之間，強度介于752和125 kPa之間（圖4b）；斷裂功和斷裂韌性分別在4.85-0.85 MJ/m³和2350-880 J/m²之間，相應的斷裂內聚長度在0.51-1.03 mm之間(圖4c-d)。除此之外，該材料和玻璃、VHB、金屬及部分共聚物可以形成較強的粘接（圖4e-f）。

圖4. 新型離子液體凝膠的機械性能。

為展示該材料可用于設計軟離子器件， 作者開發(fā)了一種集成摩擦納米發(fā)電機與電容式傳感器的新型離子皮膚（圖5），該離子皮膚可以將多種外部激勵（壓縮、拉伸、溫度等）同時轉換為電阻、電容、開路電壓和短路電流等多種電學信號。該設計可為未來自供電式離子器件的開發(fā)提供技術支撐。

圖5. 基于新型離子液體凝膠的多功能離子皮膚。

浙江大學航空航天學院博士生布熱比·依明為本文第一作者，賈錚教授為本文通訊作者。賈錚(https://person.zju.edu.cn/zhengjia)是國家級青年人才項目入選者，現(xiàn)任職浙江大學航空航天學院工程力學系。研究領域為軟物質與柔性結構力學。迄今為止在國際SCI期刊上發(fā)表論文40余篇，其中作為第一作者或通訊作者在Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、PNAS、Nano Letters、ACS Nano、Journal of the Mechanics and Physics of Solids等國際刊物上發(fā)表論文20余篇。獲2019年Extreme Mechanics Letters青年學者獎等國際獎項。學術兼職方面，擔任力學國際網(wǎng)絡論壇iMechanica的旗艦欄目Journal Club的主編(2020-2021)、浙江省力學學會固體力學專委會秘書長等職務。賈錚教授課題組現(xiàn)誠招高分子材料及力學背景的博士后，有意者請將個人簡歷（pdf）發(fā)送至賈錚教授郵箱[email protected]，郵件標題請注明“博士后申請+姓名+畢業(yè)學校”。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202102773