離子凝膠為柔性電子器件提供了創(chuàng)新的應(yīng)用與未來前景，涵蓋可穿戴電子器件、軟機(jī)器人和智能系統(tǒng)等領(lǐng)域。用于柔性電子器件的離子凝膠受壓力、溫度、濕度和溶劑等因素影響時需要保持良好的導(dǎo)電性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、加工兼容性和靈敏度。盡管柔性傳感器器件的微型化、集成化和無線操作等特點提高了其靈敏度，增加了器件的選擇性、舒適性和便利性，但也帶來了制造方面的挑戰(zhàn)。因此，當(dāng)前離子凝膠傳感器面臨的關(guān)鍵問題是開發(fā)性能優(yōu)異的離子凝膠，明晰離子凝膠傳感器的內(nèi)在傳感機(jī)制，最終推動微型集成柔性傳感器件的創(chuàng)新應(yīng)用。

近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)桂宙教授和朱紀(jì)欣教授團(tuán)隊在Advanced Fiber Materials期刊上發(fā)表了題為“Unlocking Intrinsic Conductive Dynamics of Ionogel Microneedle Arrays as Wearable Electronics for Intelligent Fire Safety”的研究成果。該研究詳細(xì)報道了一系列高性能離子凝膠材料，利用密度泛函理論計算、分子動力學(xué)模擬，以及原位溫度依賴光譜技術(shù)揭示其內(nèi)在傳感機(jī)制。此外，研究團(tuán)隊還制備了一系列可定制結(jié)構(gòu)的仿生微針離子凝膠器件。基于這些成果，他們還開發(fā)了實時智能監(jiān)測系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)、短程無線通信和智能移動應(yīng)用技術(shù)的集成，實現(xiàn)了智慧消防安全雙效預(yù)警。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)鄭亞鵬博士研究生為本文的第一作者，桂宙教授與朱紀(jì)欣教授為共同通信作者。

圖1為離子凝膠的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，其分子結(jié)構(gòu)包含多種動態(tài)鍵，尤其是氫鍵和離子鍵，這些非共價相互作用形成自發(fā)變化和可逆過程，在可穿戴電子器件中顯示出非凡的應(yīng)用潛力。研究團(tuán)隊通過紫外線（UV）固化技術(shù)進(jìn)行原位光聚合反應(yīng)，成功制備了一系列具有優(yōu)異機(jī)械性能的離子凝膠，包括高拉伸性（伸長率約為794%）、高耐壓性（變形率約為90%）、高機(jī)械強(qiáng)度（拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度分別為約2.0 MPa和約16.3 MPa）以及出色的透明度（透光率> 91.1%）。此外，研究團(tuán)隊選擇了具有代表性的溶劑進(jìn)行溶脹試驗，評估并證實了離子凝膠在不同環(huán)境條件下的耐受性。

圖1離子凝膠的結(jié)構(gòu)和形態(tài)

圖2離子凝膠的機(jī)械和電學(xué)性能表征

研究團(tuán)隊通過微電子印刷技術(shù)在銀電極上實現(xiàn)離子凝膠的印刷，制備了微型柔性電子器件。離子凝膠器件的電阻變化受溫度范圍影響，隨著溫度的升高，柔性器件的電阻顯著降低。在30℃~ 45℃的溫度范圍內(nèi)，離子凝膠器件的熱敏系數(shù)（Tcr = -2.074%，R2= 0.993）較高；經(jīng)歷連續(xù)循環(huán)多次升降溫后，其電阻變化基本保持一致，表明其具備優(yōu)異的溫度傳感穩(wěn)定性。

圖3離子凝膠的機(jī)械和電學(xué)性能表征

受微針貼片技術(shù)的啟發(fā)，研究團(tuán)隊結(jié)合數(shù)字光處理（DLP）3D打印、模具鑄造和原位光固化技術(shù)（圖4a），開發(fā)出一系列可定制結(jié)構(gòu)的離子凝膠器件，如微圓柱形、微半球形、微球形和微金字塔形的微針陣列結(jié)構(gòu)，結(jié)合有限元分布模擬證實了熱行為和機(jī)械穩(wěn)定性（圖4b ~ 4i）。通過將數(shù)字電極與仿生微針結(jié)構(gòu)離子凝膠相結(jié)合，制備出靈活的柔性傳感系統(tǒng)。

為了驗證柔性傳感系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的可行性，研究團(tuán)隊開發(fā)了基于可穿戴安全器件的實時智能監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)實時信號采集、處理和溫度傳輸，并通過物聯(lián)網(wǎng)、短程無線通信和智能移動應(yīng)用技術(shù)的集成進(jìn)行無線監(jiān)測。如圖4j ~ 4p所示，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r無線探測和監(jiān)測外部環(huán)境或人類活動產(chǎn)生的熱刺激。無線可穿戴監(jiān)測系統(tǒng)包括：信號采集模塊、控制電路模塊、中央處理器即單片機(jī)、無線藍(lán)牙傳輸模塊以及智能手機(jī)APP實時接收模塊。系統(tǒng)獲取安全裝置電阻的變化并轉(zhuǎn)換為輸出電壓信號，傳送到微控制器；微處理器處理收集到的信號，并通過藍(lán)牙模塊傳輸；藍(lán)牙接收器將傳感器的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，通過智能手機(jī)APP實時分析和顯示。研究團(tuán)隊成功展示出該系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的可行性（圖4），包括實時監(jiān)測外部火焰接觸點溫度，以及在不同狀態(tài)（正常、預(yù)警、報警狀態(tài)）下智能視聽雙效警報系統(tǒng)的效果。

圖4實時智能安全監(jiān)控系統(tǒng)

綜上所述，本工作采用簡便通用的方法制備了一系列離子凝膠材料，具有高透明度、優(yōu)異的機(jī)械和電氣性能、出色的電化學(xué)穩(wěn)定性、環(huán)境耐受性以及良好的應(yīng)變和溫度傳感能力。此外，研究團(tuán)隊展示了微針陣列結(jié)構(gòu)離子凝膠器件可應(yīng)用于定制化可穿戴安全熱敏器件的潛力，并開發(fā)了實時智能監(jiān)控系統(tǒng)用于智慧消防安全預(yù)警和溫度指示。

審核編輯：劉清