通過多材料3D打印，具有多模式傳感能力的聚電解質彈性體離子電子傳感器

作者：Caicong Li, Jianxiang Cheng, YunfengHe, Xiangnan He, Ziyi Xu, Qi Ge & Canhui Yang
單位：南方科技大學
發(fā)表期刊：Nature Communications

本文利用多材料數字光固化3D打印技術，設計并制備了一系列基于聚電解質彈性體的多模式傳感離電傳感器，包括拉伸、壓縮、剪切、扭轉和組合式傳感器。所用的聚電解質彈性體是一種高分子網絡中含有固定的陰離子或陽離子，以及可移動的反離子的材料，具備抗離子泄漏的特性。3D打印技術為器件的結構設計提供了極高的靈活性，可以通過精細的結構編程，實現傳感器靈敏度的優(yōu)化和調控。所制備的傳感器具有穩(wěn)定的界面和長期的穩(wěn)定性，可以感知不同的力學刺激，且不同傳感通路之間無信號串擾。本文為可拉伸離電傳感器的設計、智造與應用提供了新的解決方案。

圖 1 多模式傳感能力的聚電解質彈性體離子電子傳感器示意圖

研究亮點
多模式感測能力：傳感器能夠感應多種力學刺激，包括拉伸、壓縮、剪切和扭轉。

長期穩(wěn)定性：利用聚電解質彈性體和3D打印技術，傳感器展現出卓越的長期穩(wěn)定性。

無泄漏設計：新型傳感器解決了傳統(tǒng)離子傳感器易泄漏的問題，提高了設備的可靠性。

研究背景
離電器件是一種基于離子與電子協(xié)同作用的器件，具有柔韌性，可拉伸性，光學透明性和生物相容性等優(yōu)點，廣泛應用于工程和生物醫(yī)學領域。離電傳感器是離電器件的一種重要類型，可以感知外界的力學刺激，并將其轉化為電信號，用于人機交互，智能假肢，生理監(jiān)測等場景。然而，現有的離電傳感器由于器件結構簡單、成分易泄漏，導致器件穩(wěn)定性差，傳感功能單一，極大地限制了實際應用。因此，設計與制造性能穩(wěn)定且具有多模式傳感能力的離電傳感器具有重要的工程應用價值。

所解決的問題
為了解決上述問題，本文利用數字光固化3D打印技術，制造具有多模式傳感功能的離子電容器的方法。該方法使用聚電解質彈性體（PEE），該材料具有高彈性、高離子導電性、高熱穩(wěn)定性和抗離子泄漏的特性。通過3D打印技術，可以實現PEE與介電彈性體（DE）之間的牢固界面粘接，以及對器件結構的靈活設計。本文設計并制造了四種基本的離子電容器，分別用于感知拉伸、壓縮、剪切和扭轉等不同的力學刺激，以及三種組合式的離子電容器，用于感知多種力學刺激的同時，避免信號的相互干擾。本文為可拉伸離子電容器的設計、制造和應用提供了一種新的解決方案，同時也拓展了多材料3D打印技術的應用范圍。

研究思路與結果討論

1. 器件制備與特性
本文使用聚電解質彈性體(PEE)和介電彈性體(DE)的光固化前驅體來打印離子電子傳感器。傳感器由兩層PEE與中間DE層組成。PEE由BS與MBA單體共聚合成，聚電解質彈性是一種高分子網絡中含有固定的陰離子或陽離子，以及可移動的反離子的材料，具備抗離子泄漏的特性。DE選用商業(yè)丙烯酸酯彈性體。通過優(yōu)化離子單體的比例，平衡聚電解質材料的力學性能和電學性能，從而優(yōu)化傳感器的性能，選取BS與MEA的摩爾比為1:1。

由于離子電子電容傳感器是多層疊層，因此在DE層和PEE層之間建立堅固的界面對于避免界面分層非常重要。在180°剝離測試中，將3D打印與手動組裝的聚電解質彈性體/介電彈性體雙層結構的界面粘接強度進行了比較。3D打印結構因聚電解質彈性體與介電彈性體間形成的共價鍵和拓撲纏結而顯示出更強的界面粘接性，其剝離過程中出現的是材料本體的斷裂，粘接強度高達339.3 J/m2。相反，手動組裝的結構因界面較弱，在剝離過程中發(fā)生界面斷裂，粘接能僅為 4.1 J/m2。耐久性測試顯示，基于聚電解質彈性體的電容式傳感器由于沒有離子泄漏，能夠長期維持穩(wěn)定信號；而傳統(tǒng)的LiTFSI摻雜離子彈性體傳感器因離子泄漏導致信號漂移，最終導致短路。

圖 2 聚電解質彈性體制備過程

圖 3  3D打印離子電子電容傳感器特性測試

2. 多模態(tài)傳感能力
作者利用多材料數字光固化3D打印技術，一體化設計制造基于聚電解質彈性體的多模式傳感離電傳感器，包括拉伸、壓縮、剪切和扭轉傳感器。拉伸傳感器具有良好的線性響應，在單軸拉伸作用下，面積增大，厚度減小，電容增大；由于多材料3D打印實現了高設計和制造靈活性，通過構建DE層微結構顯著提高了傳感器的靈敏度，剪切與扭轉傳感器的靈敏度也可以通過改變鋒線的形狀與重疊面積進行調整。3D打印技術為器件的結構設計提供了極高的靈活性，可以通過精細的結構編程，實現傳感器靈敏度的優(yōu)化和調控。所制備的傳感器具有穩(wěn)定的界面和長期的穩(wěn)定性，可以感知不同的力學刺激，且不同傳感通路之間無信號串擾。

圖 4 拉伸、壓縮、剪切和扭轉傳感器性能

圖 5 集成式離電傳感器設計與性能

研究總結
本文利用多材料數字光固化3D打印技術，設計并制備了一系列基于聚電解質彈性體的多模式傳感離電傳感器，包括拉伸、壓縮、剪切、扭轉和組合式傳感器。所用的聚電解質彈性體是一種高分子網絡中含有固定的陰離子或陽離子，以及可移動的反離子的材料，具備抗離子泄漏的特性。3D打印技術為器件的結構設計提供了極高的靈活性，可以通過精細的結構編程，實現傳感器靈敏度的優(yōu)化和調控。所制備的傳感器具有穩(wěn)定的界面和長期的穩(wěn)定性，可以感知不同的力學刺激，且不同傳感通路之間無信號串擾。本文還展示了一個由四個剪切傳感器和一個壓縮傳感器組成的可穿戴遙控單元，并將其連接到一個遠程控制系統(tǒng)，用于遠程無線控制無人機的飛行。本文為可拉伸離電傳感器的設計、智造與應用提供了新的解決方案。

原文來源：Polyelectrolyte elastomer-based ionotronic sensors with multi-mode sensing capabilities via multi-material 3D printing. Nat. Commun., 2023, 14, 4853.
https://doi.org/10.1038/s41467-023-40583-5