2020年11月杂志俱乐部:水凝胶离子电子学:原理，材料和应用

水凝胶离子电子学:原理、材料和应用

Canhui杨

南方科技大学力学与航天工程系

电子邮件:yangch@sustech.edu.cn

1.介绍

数十亿年来，地球上的生命主要利用离子来导电，而人类在近几个世纪创造的机器主要利用电子来导电。这两种系统——自然的和合成的——已经进化出复杂但独立的离子电路和电子电路。然而，离子和电子并不总是分开流动。例如，在脑、心脏和肌肉的电生理研究中，它们在人机界面上相互耦合(图1a)。离子和电子的混合电路激发了离子电子学(也称为离子电子学)的广泛领域，其中设备使用移动离子和移动电子来工作。

水凝胶离子电子是利用水凝胶作为离子导体的离子电子器件。水凝胶聚集了聚合物网络和大量的水分子(图1b)。聚合物网络使水凝胶成为有弹性的固体，水分子使水凝胶成为透明的离子导体。可拉伸的、透明的离子水凝胶使离子电子器件远远超出了以前的想象。

我们发表了一篇题为“水凝胶离子电子学”的评论文章《自然评论》2018年[1]，总结了当时文献中描述的所有水凝胶离子电子器件，以及相关的力学性能和材料的化学性质。本文首次综述了水凝胶离子电子学的研究进展。这一新兴领域正在迅速发展，自那时以来已经取得了许多进展。在这个期刊俱乐部里，我想和大家分享这个令人兴奋的领域。当然，这里的讨论并不全面，只是概述了所选器件的基本工作原理和相关材料的研究。欲知详情，请参阅审查．

图1 (a)测量大脑、心脏和肌肉的电生理需要移动离子和移动电子的协同作用。(b)水凝胶聚集聚合物网络和水，水可以将盐溶解成可移动的离子，使水凝胶具有离子导电性。

2.各种水凝胶离子电子学

动物是离子机器，通过离子流传递生物信号。早期水凝胶离子电子学的一个主题是模仿神经肌肉和神经感觉系统，模仿的重点放在功能上，而不是解剖结构上。下面讨论了选定的水凝胶离子电子学的工作原理。

2.1双电层(EDL)

当水凝胶与金属接触时，水凝胶中的移动离子与金属中的移动电子在界面处相遇，形成双电层(EDL)(图2a)。EDL作为一个巨大电容~ 10-1 F/m2的电容器，耦合水凝胶中的离子电流和金属中的电子电流，只要持续电压在电化学窗口内(通常在1 V量级)，EDL就保持稳定。

2.2人工肌肉

人造肌肉(通常称为介电弹性体致动器)将电压转换为机械运动。这种装置是由Pelrine及其同事发明的[2]。Keplinger、Suo及其同事[3]首先报道了一种离子电子版本，它包括一层弹性体夹在两层水凝胶之间(图2b)。关于里程碑式的工作，请参阅Journal club:https://万博manbetx平台m.limpotrade.com/node/15218．

当施加电压时，极性相反的离子聚集在水凝胶和弹性体之间的两个界面上，它们的吸引力导致弹性体厚度减少和面积扩大。压力σ受引力尺度σ ~的作用εE2,ε弹性体的介电常数是和E是电场。因此，弹性体变形所需的电压显着成比例V～H（μ/ε) 1/2,在那里V施加在弹性体厚度上的电压是多少H和µ为弹性体的厚度和剪切模量。将具有代表性的数字代入刻度中，得到104v左右的电压。人造肌肉在高电压下工作，但电流很低。需要仔细设计以减轻对安全的担忧，例如，减少弹性体的厚度和模量或增加介电常数。机电耦合是高度非线性的，并且依赖于几何形状，产生了许多人造肌肉的设计，以及许多机电不稳定模式。参见最近关于介电弹性体结构力学的综述[4]。

水凝胶作为可拉伸透明电极的引入拓宽了应用范围，如透明扬声器[3]、离子鱼[5]、液压放大自愈静电致动器[6]等。

2.3人造皮肤

人体皮肤是一个可拉伸的大面积分布的压力、变形、温度和湿度传感器。一种离子电子人造皮肤包括夹在两个水凝胶之间的弹性体(图2c)[7]，它们通过两根金属线连接到电容式仪表上。水凝胶和金属丝之间的接触形成两个EDL电容器，与弹性体电容器串联。由于电荷在10-9 m量级的距离上分离，EDL的电容一般比弹性体大得多，因此等效电容主要由弹性体电容决定;ε运算单元/德,在那里εE，AE和德弹性体的介电常数、面积和厚度分别是多少．在压力或拉伸作用下，弹性体的厚度减小，面积扩大。几何尺寸的变化引起电容的变化，这由电容计记录。

水凝胶离子电子人造皮肤可以感知单次触摸并在变形状态下保持功能[7]，可以感知多次触摸[8]，可以自愈[9]，也可以感知电阻而不是电容的变化。现有的水凝胶离子电子人造皮肤只能感知压力和变形。利用水凝胶将温度/湿度/化学物质的变化转化为电信号，可以使人造皮肤更接近甚至优于人类皮肤。

2.4人工轴突

轴突传递离子信号，使生命系统协调感知、决定和行动。受髓鞘轴突的启发，离子电子人工轴突由两行水凝胶组成，中间隔一层弹性体(图2d)[10]。弹性体模拟髓鞘，电解水凝胶模拟体液。受时变信号影响，人工轴突将信号从输入端口传输到输出端口。顶部和底部水凝胶之间的电压是一个函数，v（x，t),t是时间和x是沿人工轴突长度的位置。电压服从扩散方程∂v/∂t= D∂v2 /∂x2,D是电信号的扩散系数。通过适当的设计，电信号在人工轴突内的扩散率可以达到D~ 107 m2/s，远高于离子在水中的扩散系数;迪翁~ 10-9 m2/s。这种人造轴突可以远距离、高频率地传输信号，很容易成为可伸缩和透明的互连体，用于可穿戴和可植入设备，以及软机器人。

图2 (a)水凝胶/金属界面形成双电层。(b)离子电子人造肌肉由夹在两个水凝胶之间的弹性体组成，通过金属线与电源相连。人造皮肤由夹在两个水凝胶之间的弹性体组成，通过两根金属线连接到电容器仪表上。(d)在人工轴突中，两层水凝胶被一层弹性体绝缘。输入端口连接时变电压源，输出端口连接阻抗负载Z．在有髓鞘的轴突中，髓鞘是介质，体液是电解质。

2.5其他水凝胶离子电子

水凝胶使其他各种功能的离子电子学成为可能。例如，水凝胶是透明的，可以让光线通过，导电，可以施加电压，因此它们是取代传统电极(如ITO)的理想候选者，在光电器件中，复制了主要的光电性能，同时实现了大的拉伸性。示例包括液晶器件(图3a)[11]和电致发光器件(图3b)[12]。无论是液晶器件中液晶分子的响应，还是电致发光器件中荧光粉的响应，都不需要外部电源注入电子，而是依赖于电场的施加。正是这种见解使得在这种装置中用离子导体(如水凝胶)代替电子导体成为可能。

此外，应仔细设计器件的结构，以确保器件可以在不电解水凝胶的情况下稳定工作，即EDL上的电压降幅度应小于1 V。该装置可以构造等效电路，并考虑不同电容器之间的电荷平衡问题。

其他的水凝胶离子电子学包括软触控板(图3c)[13]、可拉伸摩擦发电机(图3d)[14]、人造鳗鱼(图3e)[15]、可拉伸二极管(图3f)[16]以及最近的人造蜘蛛网(图3g)[17]。详情请参阅相应的论文。

图3各种水凝胶离子电子学的工作原理示意图。

3.水凝胶离子电子学作为材料研究的新领域

水凝胶离子电子学集成了不同的材料，例如水凝胶、弹性体和金属。材料之间的差异引起了许多问题。因此，水凝胶离子电子学的发展推动了材料研究的许多领域，包括但不限于水凝胶的强粘附工程(特别是水凝胶和弹性体之间的强、可拉伸和有时透明的粘附)和水凝胶的抗疲劳性能的提高和水凝胶在预长循环载荷下的粘附性。

在粘附方面，由于密集的水分子几乎不携带载荷，而稀疏的聚合物网络往往与粘附体相互作用较弱，既不能激活Lake-Thomas机制，也不会在体中引起很大的滞后，因此水凝胶与粘附体之间的粘附通常很小(小于1 J/m2)。可以想象，如果水凝胶很容易从设备上脱落，设备将无法正常工作。令人鼓舞的是，最近在实现坚韧的水凝胶粘附方面取得了重大进展，这是一个跨多学科的新兴领域。参见最近关于水凝胶粘附的综述[18]。也可参考相关杂志俱乐部的领导马振伟、李建宇教授:https://万博manbetx平台m.limpotrade.com/node/24248．

在实践中，水凝胶离子电子装置可以在静态或循环条件下长时间运行，对水凝胶施加预长静态或循环载荷。大多数现有的水凝胶都容易产生疲劳。尽管对水凝胶疲劳的研究是最近才开始的，但已经完成了许多基础研究，为实际应用提供了有价值的基础见解，例如抗疲劳水凝胶/水凝胶粘附的设计和合成。参见第一次综合综述[19]和由白若冰博士领导的Journal club:https://万博manbetx平台m.limpotrade.com/node/23127．另请参考由林少廷博士领导的以抗疲劳水凝胶和粘附为主题的Journal club:https://万博manbetx平台m.limpotrade.com/comment/30466．

材料研究的其他方面包括但不限于水凝胶的保水性、制造、机电载荷下的疲劳、具有理想性能的水凝胶/介电弹性体的合成和组合等。

4.机会

水凝胶离子电子学的发展为研究开辟了广阔的空间。许多直接的机会存在，例如，在发明水凝胶离子电子装置的新概念，在推进水凝胶科学和发展集成和制造。

目前的水凝胶离子电子装置主要依靠人工组装。先进的制造技术，如3D打印，将允许快速原型和小型化的设备，以促进创新和生产。

现有的水凝胶粘附策略大多是在没有利用3D打印优势的情况下提出的，并且通常需要成型或预成型水凝胶。此外，这些策略忽略了亲水前驱体和疏水表面之间的润湿问题，这极大地限制了器件的允许设计和功能。

新的粘附方法和制造工艺将改善水凝胶和弹性体的集成，并允许设计具有复杂形状和新功能的设备。我们最近在这个方向上做了一些初步的探索[20]，通过同时满足附着力和润湿的要求来实现多步浸涂工艺。

水凝胶在空气中容易脱水。人们可以用离子液体——一种在室温下处于液态的特殊类型的盐——来代替水，从而得到离子凝胶，它可以是非-的在很宽的温度范围内挥发，甚至在真空下挥发[21]，因此可以扩展可能的应用范围。此外，溶剂可以被消除，从而产生离子弹性体[22]。对于这两种类型的材料，高拉伸性，适当的离子电导率，有时高透明度是优先考虑的问题。

这里提出的基本挑战跨越了水凝胶离子电子学以外的许多应用。我们设想水凝胶离子电子学的进步将有助于创造自然与人工之间的深度融合。

我们喜欢听到你的反馈。请随意在下面留下与此主题相关的任何评论。

5.参考文献

[1]杨春春，索志，水凝胶离子电子学。《自然评论》3, 125-142(2018)。

[2]刘志强，刘志强，刘志强，等。高速电致弹性体的研究进展。科学[j] .中国科学:自然科学。

[3]李志强，等。可拉伸透明离子导体。科学[j] .农业科学，2013(5):487 - 487。

[4]吕涛，王春春，王涛，介电弹性体结构力学研究进展。极限力学快报[38] . 100752(2020)。

[5]李涛，等。快速移动软电子鱼。科学进步3, e1602045(2017)。

[6]李建军，李建军，李建军，等。基于液压放大的自愈静电致动器。科学359, 61-65(2018)。

[7]孙建勇，李志强，李志强，离子皮肤。先进材料26, 7608-7614(2014)。

[8]张晓明，张晓明，张晓明，等。一种基于传感器的手指弯曲、拉伸和触觉定位方法。科学的进步3, e1602200(2017)。

[9]李志强，李志强，等。一种可自愈性离子皮肤的制备及其应用。先进材料29, 1700321(2017)。

[10]杨志强，等。极限力学信3, 59-65(2015)。

[11]杨春春，周世生，石安，郭树清，索忠，基于离子导体的有机液晶器件。材料的视野4, 1102-1109(2017)。

[12]杨志强，杨志强。大拉伸性电致发光等。先进材料28, 4480-4484(2016)。

[13]王志强，王志强。，et. al, Highly stretchable, transparent ionic touch panel.科学353, 682-687(2016)。

[14]李晓燕，李晓燕，李晓燕，等。纳米摩擦发电机在生物力学能量采集和触觉传感中的应用。科学的进步3, e1700015(2017)。

[15]李建军，王晓明，等。电鳗软实力的研究进展。自然552, 214(2017)。

[16]李晓东，李晓东，李晓东，等。甲基丙烯酸酯多糖共电解质水凝胶的制备及性能研究。高级功能材料1806909(2018)。

[17]李晓明，李晓明，等，离子蜘蛛网，科学的机器人[5][中国科学院学报](2020)。

[18]杨建军，等。水凝胶黏附性能的研究进展。高级功能材料[j] .浙江大学学报(自然科学版)，2019。

[19]杨军，白荣华，杨建军，水凝胶的疲劳研究。欧洲力学杂志a /固体74, 337-370(2019)。

[20]杨建军，等。离子电子发光纤维的制备及其性能研究。先进材料2005545(2020)。

[21]陈晓明，等。电介质弹性体换能器中电离胶的研究进展。ACS应用材料与接口6, 7840-7845(2014)。

[22]张建军，李建军，等。离子弹性体中阳离子与阴离子的连接。科学中国科学院学报(自然科学版);