Advanced Materials: -80℃环境下的超可拉伸、自愈离子凝胶用于人工神经纤维

自修复材料帮助受损的人造电子器件快速恢复其形态和功能,大大提高设备的使用寿命、安全性和经济效益。目前基于物理相互扩散、愈合剂、动态共价键、或非共价键和范德华力等动态相互作用的自愈合材料已被设计并成功集成到功能设备中,例如表皮传感器、柔性触摸屏和穿戴式能量采集/存储器件。然而,大部分自愈合材料的性能受到温度影响,在低温下变硬,变脆,甚至完全失效,使其应用止步于高纬度和严寒地区。

中科院北京纳米能源与系统研究所的李舟研究员团队利用Li+的高水合能调节水凝胶材料在低温下的高分子链扩散能力和动态相互作用,制备了一种在超低温环境(-80℃)下具有稳定自愈合性能的多功能离子水凝胶(SSIH)。经系统优化,SSIH可在现室温下实现10分钟内的快速自愈合、可承受超过7000%以上的拉伸变形,11.76 S/cm的稳定电导率和长达到13个月的综合性能稳定性。特别是,即使在-80℃的极端低温环境下,这些实用性能也可稳定地保持,这为目前0℃以下环境中自愈合材料的因水分和聚合物链段冻结而失效的问题提供了可行的解决方案。

李舟研究员团队通过仿生有髓轴突的结构和神经信号传输功能,展示了一种基于 SSIH ,具有高保真和高通量信息交互能力的人工神经纤维 (SSANF)。将该SSANF集成到多功能机器人上时,SSANF展示了它在反复大变形下对实时集成信号的稳定传输能力。这克服了传统金属导线无法拉伸和易拉断的缺陷,使全柔性集成系统成为可能。基于该多功能离子水凝胶的仿生器件将使仿生智能机器人更接近模拟复杂的生物系统,为机器人在极端低温条件下完成无人任务开辟更广阔的应用场景。

图 1. SSIH的设计原理。 (a) SSIH的设计过程以及自愈能力和超拉伸性的原理。 (b) SSIH 中的动态相互作用。 (c) 随着LiCl的增加,SSIH的抗冻能力和柔韧性更好。 (d,e) 随着 LiCl 含量的增加,SSIH 的断裂伸长率增加到原始长度的约 70 倍,抗拉强度呈下降趋势,电导率呈现增长趋势。

图2. SSIH在常温和低温环境下的愈合性能探究。(a) SSIH的自愈机制。 (b) 用光学显微镜观察受损SSIHs的自愈过程,5min受损部位完全愈合,10min受损部位完全小时。(c) 两片不同时间制备的 SSIH 的自愈性能。(d) SSIH在原始状态和不同愈合时间后(RT)的拉伸应力-应变曲线。 插图是愈合5min后拉伸状态下的愈合部位照片。(e) SSIHs在原始状态愈合30 min (不同低温下)后的拉伸应力-应变曲线。

图3. SSIH在常温和低温环境下的导电性能探究。(a~c) SSIH在30℃到-80℃/10℃的EIS图。(d) SSIH 的电阻随着温度的降低而增加。(e) SSIH的导电性表现出长时间稳定性,在-80℃空气中放置13个月后,电阻刚刚增加到440.9 ohm/cm。 (f) SSIH在-68℃下的导电自愈能力。 (g~h) 随着温度的降低,阻抗和相位角的平稳平台扩大并移至较低频率区域。

图4. SSANF的工作原理和信息传输能力。(a) SSANF 的设计原则。(i)有髓轴突结构的图。 神经信号以动作电位的形式沿着有髓轴突传播。 (ii) SSANF 结构图。 电容模型中的电位信号传递过程。(c) |V1/V0| 随电压脉冲的频率和幅度而变化,并保持在 0.975 和 1.025 之间。 在 100%、200% 和 300% 变形 (d) 下,输出端口 (e) 中记录的电压曲线。 (f) 在10000次拉伸至200%变形和恢复过程中,信号保持其初始形状和幅度。

图 5. SSANF用于仿生机器人的实时电压信号和能量传输。(a)SSAF作为 BIR 的一个通信单元。(b)同步仿生机器人手系统的电路示意图,(c)其中 SSANF 用于传输实时集成信号。 (d)干冰(-78.5℃)用于创造局部低温环境。 (e) SSANF在200%变形和-78.5℃下的输入和输出信号。(f)SSANF 的能量输送能力和快速回复能力。

论文信息:

Ultra-Stretchable and Fast Self-Healing Ionic Hydrogel in Cryogenic Environments for Artificial Nerve Fiber

Chan Wang#, Ying Liu#, Xuecheng Qu, Bojing Shi, Qiang Zheng, Xubo Lin, Shengyu Chao, Changyong Wang, Jin Zhou, Yu Sun, Gengsheng Mao, Zhou Li*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202105416

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202105416