科研進(jìn)展
蘭州化物所力-電耦合離電凝膠研究獲新進(jìn)展
生物體內(nèi)，機(jī)械感受系統(tǒng)通過機(jī)械敏感離子選擇性蛋白通道，可將外界機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為具有興奮或抑制特征的電生理信號，這一生物力電轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制啟發(fā)了離子電子學(xué)的發(fā)展。離子壓電材料依靠壓力梯度下陰、陽離子遷移率差異產(chǎn)生的凈電荷分離（即流動電勢）實(shí)現(xiàn)力電耦合，是界面集成傳感的理想材料體系。然而，現(xiàn)有基于離子壓電水凝膠普遍面臨力學(xué)性能不足的問題，且在持續(xù)或高載荷作用下易出現(xiàn)壓電電壓飽和或衰減迅速的現(xiàn)象，其根源在于力學(xué)性能與離電活性之間的內(nèi)在權(quán)衡關(guān)系：軟基質(zhì)利于形成高壓力梯度促進(jìn)離子遷移，卻難以維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；強(qiáng)韌網(wǎng)絡(luò)雖能承受機(jī)械載荷，但弱壓力梯度往往抑制離子高效傳輸。這種權(quán)衡成為制約離子壓電效應(yīng)作為智能響應(yīng)界面軟材料在超高承載和摩擦傳感等應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摩擦物理與傳感課題組，通過優(yōu)化離電凝膠力學(xué)性能與離電性能的無縫兼容性，利用“分子?結(jié)構(gòu)正交設(shè)計”策略，首次在力學(xué)強(qiáng)韌的凝膠中實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、穩(wěn)定的離子壓電效應(yīng)。
圖1. 離子壓電機(jī)制：層級結(jié)構(gòu)取向協(xié)同電荷補(bǔ)償動力學(xué)。
課題組通過機(jī)械訓(xùn)練構(gòu)建層級互穿的納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不僅實(shí)現(xiàn)了多尺度能量耗散機(jī)制強(qiáng)韌化了力學(xué)屬性，而且為壓力驅(qū)動的離子流提供了定向遷移通道，降低了離子壓電水凝膠中未受約束的離子遷移必須克服三維網(wǎng)絡(luò)的空間阻力。分子尺度上，在離子壓電凝膠網(wǎng)絡(luò)中引入PEDOT：PSS作為Na+和Cl–的電荷補(bǔ)償受體，產(chǎn)生離子?電子的電荷補(bǔ)償反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)非對稱陰、陽離子傳輸動力學(xué)。如圖1所示，在施加壓力下，Cl–作為PEDOT骨架上空穴的主要電荷補(bǔ)償載體可以有效延伸電子傳輸鏈以加速Na?遷移，從而放大了Na+與Cl–之間的遷移率差，產(chǎn)生敏感的離電響應(yīng)電壓；而當(dāng)壓力釋放時，PSS鏈上–SO3–基的Na+鍵合位點(diǎn)被激活，可有效阻礙Na+逆向遷移，增強(qiáng)離子失活動力學(xué)，產(chǎn)生可持續(xù)的離電效應(yīng)。
離子壓電凝膠的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢與分子機(jī)制協(xié)同耦合了力學(xué)、電學(xué)和離電性能之間的兼容，其楊氏模量為21.72 ± 1.50 MPa，斷裂強(qiáng)度為23.53 ± 0.78 MPa，斷裂功可達(dá)42.39 ± 1.60 MJ m–3；其電導(dǎo)率為0.164 ± 0.0276 S cm–1；離子壓電凝膠在3.0 MPa壓力刺激下可產(chǎn)生高達(dá)40 mV的峰值離電響應(yīng)電壓，且響應(yīng)時間可持續(xù)約200秒（圖2）。這種分子?結(jié)構(gòu)正交設(shè)計策略，破解了柔性離子壓電材料長期面臨力學(xué)性能與離電性能難以協(xié)同優(yōu)化的核心瓶頸，為開發(fā)新一代智能響應(yīng)界面與摩擦傳感材料提供了全新的設(shè)計思路與調(diào)控機(jī)制。
圖2. 離子壓電凝膠的離電性能和力?電綜合性能的對比。
該研究工作以“Continuous piezolonicity-driven electromechanical coupling in mechanically robust conductive eutectogels”為題發(fā)表在Nature Communications上（https://doi.org/10.1038/s41467-025-67193-7）。蘭州化物所許成功博士和西北工業(yè)大學(xué)聯(lián)培博士生王文鵬為該論文共同第一作者，蘭州化物所劉維民院士、王道愛研究員、馮雁歌副研究員和湖北大學(xué)郭志光教授為共同通訊作者。
以上研究得到了甘肅省重大科技專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中國科學(xué)院重點(diǎn)研究計劃等項(xiàng)目的支持。
