最新AFM：具有高度黏附特性的超分子离子凝胶

近年来，关于可穿戴和可拉伸皮肤运动传感器的研究日益增多。为了扩展这些器件的应用前景，其中的传感元件必须能够精准地探测外源刺激。然而，如果传感器无法有效黏附在目标物体上，那么对于刺激的检测准确性也就无法保证。因此，如何解决传感器在目标物上相对较弱的黏附性是目前器件进一步发展的主要挑战。

韩国仁荷大学的Myungwoong Kim和Keun Hyung Lee等人开发了一种可拉伸、自黏附的离子凝胶导体。这种离子凝胶由缔合聚合物网络（APN）和离子液体构成，可以在传感器和皮肤之间（包括动态运动过程中）实现共形接触，因此展现出了优异的黏附特性（剥离力可达93.3 N m⁻¹）、弹性（断裂应变约为720%）、硬度（2479 kJ m⁻³）、热稳定性（150 °C）以及离子导电性（高温下还能达到17.8 mS cm⁻¹）。基于这一离子凝胶形成的皮肤应变传感器能够准确地检测身体部位运动，突破了以往研究的限制。相关工作以“Block Copolymer-Based Supramolecular Ionogels for Accurate On-Skin Motion Monitoring”为题发表在Advanced Functional Materials。

【文章要点】

一、APN离子凝胶的设计制备

研究人员首先利用两种双嵌段共聚物作为聚合物网络基质，这两种嵌段共聚物含有疏离子液体（PtBS）和亲离子液体片段[poly(MA-r-4HS)或poly(MA-r-2VP)]。在离子液体中，疏离子液体的嵌段共聚物可形成相分离的胶束簇，在冠状嵌段之间通过氢键相互连通，最终形成非共价的缔合网络（图1）。

图1 APN离子凝胶及其组分的化学结构

二、APN离子凝胶的自黏附性质

研究通过测量剪切应力和剥离力来进一步评价APN离子凝胶的黏附性质。对比实验发现，由于凝胶中苯酚片段可与其他苯酚基团形成氢键，会减少有效的黏附位点，因此拥有更多自由功能基团（相应地，苯酚基团就会减少）可使凝胶展现出更优的黏附性能。以此思路设计优化凝胶，可录得最高的剪切应力和剥离力分别为57.8 kPa和93.3 N m⁻¹。凭借优越的黏附性质，这一凝胶材料可黏附在多种完全不同的物体上，包括剥离、塑料、木头、纸、金属和气球等（图2）。

图2 离子凝胶的黏附测试结果

三、APN离子凝胶基应变传感器的性能

最后，研究还成功地制备了APN离子凝胶基应变传感器作为检测元件的离子皮肤。结果发现，具有高度黏附性的离子皮肤在面对关节转动时可展现出尖锐和加强的电学信号变化。这一精确的监测行为在手指、踝关节和颈部的运动过程中也得到了体现。此外，研究也为发现这一离子皮肤会对人体造成任何副作用（图3）。

图3 离子皮肤的监测表现

文献链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202102386

来源：高分子科学前沿