东华大学武培怡/孙胜童AM：具有电导率拉伸强化响应行为的离电液晶弹性体纤维

生命体系依赖离子电导实现外界环境感知和神经控制反馈。近年来，模仿生命体系离子电导发展形成的“可拉伸离电学”在仿生皮肤、人工肌肉、可拉伸储能、软机器人等领域取得了广泛应用。然而，现有的可拉伸离子导体大都基于富含自由离子的柔性高分子网络，离子电导率随拉伸仅发生轻微提升。这一“迟钝”的机电耦合特性使得可拉伸离子导体既无法像逾渗电子导体一样具有较高的感知灵敏度，也无法在拉伸过程中维持高效离子电导以确保信号传输质量，难以满足当下可拉伸电子器件的多场景化需求。

近期，受游泳比赛中笔直的“泳道”启发，通过调制离子传导迂曲度，东华大学武培怡/孙胜童研究团队设计开发了一种具有超高力学韧性和电导率拉伸强化响应特性的离电液晶弹性体（IonoLCE）纤维，其离子电导率随拉伸可提升上千倍，且该变化过程完全可逆，成功打破了传统可拉伸离子导体的固有机电耦合特性。IonoLCE结构中含有交替排列的刚性液晶基元和柔性间隔基，而引入的含氟离子液体仅与柔性间隔基相容。拉伸诱导液晶基元有序排列，进而迫使其发生近晶相密堆积从而与离子液体微相分离形成高度有序的快速离子通道。

图1. 具有离子电导率拉伸强化响应行为的离电液晶弹性体纤维的分子设计与工作原理。

IonoLCE纤维直径仅1 mm，外观透明，液晶相转变温度约为49.8 ℃。纤维具有较低初始模量（0.5 MPa）、超大拉伸率（2700%）、良好弹性回复以及极高力学韧性（56.9 MJ m^-3），可反复提取约1.5公斤的重物。值得注意的是，拉伸20倍使得纤维离子电导率由0.14 mS m^-1提升至143.86 mS m^-1，对应于1028倍增强。这一增强系数远超同类可拉伸离子导体（大多小于5倍）。

图2. IonoLCE纤维的机电耦合特性。

作者进一步通过低场核磁¹⁹F谱、SAXS、红外、分子模拟等表征手段分析了离电液晶弹性体纤维电导率拉伸强化响应的原因。研究发现，离子电导率提升主要发生在单畴向列相向近晶相的转变过程。由于刚性液晶基元密堆积导致离子液体与液晶弹性体网络相容性变差，从而发生微相分离形成了沿拉伸方向高度有序且相互贯通的离子纳米通道。

图3. IonoLCE纤维电导率拉伸强化效应的结构解析。

电导率随拉伸急剧提升使得IonoLCE纤维具有反Pouillet定律预测的电阻变化曲线，在121%应变后电阻急剧下降，而618%应变后缓慢增长。这一特殊电阻变化可实现与常规离子导体传感截然不同的波形传感，即拉伸至不同应变可反馈不同的电阻变化波形。

图4. IonoLCE纤维的波形传感功能。

此外，IonoLCE纤维仍然保持着极高的致动性能。施加0.2 MPa偏压后，加热至液晶相转变温度可发生约70%的长度收缩。将具有光热功能的分散红染料DR1引入IonoLCE纤维，绿色激光照射也可产生远程致动效果。此外，纤维致动能力还可与感知功能进行一体化协同。将纤维固定至不同应变，激光脉冲可带来同步的收缩力与电阻信号变化。

图5. IonoLCE纤维的致动性能及感知-致动协同响应。

小结

该工作中，作者首次报道了具有离子电导率拉伸强化响应行为的离电液晶弹性体纤维，通过离子传导迂曲度调制，实现了拉伸20倍离子电导率1000倍提升，成功打破了传统可拉伸离子导体的固有机电耦合特性。这一奇异电导率响应行为使得该纤维具有新颖的波形传感特性，且可实现致动与传感一体化协同。该研究成果近期发表于Advanced Materials，东华大学硕士生姚明月为论文第一作者，孙胜童研究员和武培怡教授为通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A Highly Robust Ionotronic Fiber with Unprecedented Mechanomodulation of Ionic Conduction

Mingyue Yao, Baohu Wu, Xunda Feng, Shengtong Sun*, Peiyi Wu*

Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202103755

研究团队简介

东华大学武培怡-孙胜童课题组主要从事新型可拉伸离子导体的设计合成与感知应用领域的基础性研究工作，致力于利用二维相关光谱等先进的谱学分析手段理解离子导体粘弹网络体系的相互作用机制，并在此结构与性能关系基础上开发面向人工智能交互的可拉伸及自适应感知材料。

孙胜童

https://www.x-mol.com/university/faculty/184145 

武培怡

https://www.x-mol.com/university/faculty/184146 

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