離子凝膠（ionogels）是一種具有離子導(dǎo)電性的固態(tài)混合物，通常是由高分子有機(jī)聚合物和可電解為離子的鹽類電解質(zhì)材料混合而成，因其聚合物分子鏈互相連接或纏繞，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)空隙中充滿了作為分散介質(zhì)的陰陽離子，與傳統(tǒng)凝膠的結(jié)構(gòu)相似，因而稱其為“離子凝膠”。目前，市場上對柔性和可拉伸的電子設(shè)備的需求逐漸增長，從而導(dǎo)致了對可拉伸的透明導(dǎo)體材料的巨大需求。但是通常金屬、碳納米管或石墨烯等電子導(dǎo)體本質(zhì)上是不可拉伸的，因此需要采用幾何結(jié)構(gòu)或成形復(fù)合材料來增強(qiáng)可拉伸性。然而，這種可拉伸的電子導(dǎo)體不能承受大的機(jī)械應(yīng)變，且其復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)降低了光學(xué)透明度，同時其制造工藝復(fù)雜、成本高、成品率低，不利于大規(guī)模應(yīng)用。

雖然導(dǎo)電水凝膠具有制備簡單、可拉伸性高、順應(yīng)性好、光學(xué)透明度稿和生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，但是潮濕的環(huán)境容易導(dǎo)致電學(xué)性能不穩(wěn)定。此外，水性電解質(zhì)對金屬電極具有化學(xué)腐蝕性，并面臨在大氣中蒸發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重限制了其使用壽命。最近，由離子液體（ILs）聚合物網(wǎng)絡(luò)組成的離子凝膠由于其獨(dú)特的特性（高離子電導(dǎo)率、不揮發(fā)性、高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)）而被廣泛關(guān)注。同時，離子凝膠由于其卓越的熱性能而具有較寬的工作溫度范圍。但是目前大多數(shù)離子凝膠的機(jī)械性能較差，并且部分離子凝膠在各種環(huán)境中不穩(wěn)定。因此，現(xiàn)在制備出機(jī)械強(qiáng)度高、穩(wěn)定的透明離子凝膠仍十分具有挑戰(zhàn)性。

基于上述問題，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所的江雷研究員和劉洪亮副研究員共同報(bào)道了一種具有高離子電導(dǎo)率、機(jī)械強(qiáng)度高且超穩(wěn)定的透明離子凝膠。其中，室溫離子液體（ILs），即1-乙基-3-甲基咪唑鎓雙（三氟甲基磺?；啺罚╗C2mim] [NTf2]）通過氫鍵與聚（丙烯酸乙酯）（PEA）基彈性體結(jié)合（圖1a）。

圖1、利用氫鍵作用制備了機(jī)械強(qiáng)度高且超穩(wěn)定的透明離子凝膠。a）[NTf2]陰離子與PEA基質(zhì)之間的氫鍵作用示意圖；b）0.34 mm厚的離子凝膠在可見光范圍內(nèi)（波長400~800 nm）的透射率；c）離子電導(dǎo)率與測試溫度的關(guān)系圖；d）離子凝膠（IG0.34-10％）在10 mm min-1拉伸速率下的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線；e）光學(xué)圖像顯示離子凝膠樣品可以承受高水平的機(jī)械變形。

同時，彈性體與基于[NTf2]的ILs具有良好的相容性，即是與陽離子相比，[NTf2]陰離子對與彈性體的分子相互作用的貢獻(xiàn)更大。疏水離子凝膠顯示出超拉伸性（高達(dá)5000％）、高透明性（平均透射率，可見光95％）和超韌性（約4.7 kJ m-2）。

圖2、確認(rèn)離子凝膠中的分子相互作用。a）在室溫下，暴露于含有[NTf2]陰離子的純ILs的彈性體的溶脹動力學(xué)；b）基于咪唑類的離子液體中具有不同陰離子彈性體的溶脹動力學(xué)；c）分別為20wt％[C2mim] [NTf2]（左）和20 wt％[C2mim] [DCA]（右）的照片；d）橫截面DN0.34和IG0.34的元素映射圖像；e）陰離子拉伸區(qū)域的ATR-FTIR光譜；f）脂肪族C-H拉伸區(qū)域的ATR-FTIR光譜；g）[C2mim] [NTf2]、EA和[C2mim] [NTf2]/EA在CDCl3中的1H NMR譜。

此外，該離子凝膠具有高的熱穩(wěn)定性、高的電壓穩(wěn)定性、空氣穩(wěn)定性、耐濕性、強(qiáng)的自粘穩(wěn)定性以及對金屬電極的不腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。通過直接使用離子凝膠制備的應(yīng)變傳感器，發(fā)現(xiàn)該傳感器即使在高真空條件（6×10-4 Pa）、低溫（-70℃）和高溫（100℃）以及99％的相對濕度等惡劣環(huán)境條件下仍舊可以高效的運(yùn)行。

圖3、離子凝膠在極端環(huán)境中的應(yīng)用。a）即使在惡劣的環(huán)境條件下，該離子凝膠傳感器也可用于監(jiān)測機(jī)械運(yùn)動；b）在連續(xù)的步進(jìn)和保持測試下，傳感器在室溫下的相對電阻變化；c-f）在高真空（6×10-4 Pa）（c）、高溫（100℃）（d）、低溫（-70℃）（e）和99％的相對濕度（f）下檢測假肢手指彎曲釋放運(yùn)動的傳感器的電阻信號響應(yīng)。

綜上所述，作者通過PEA彈性體和基于[NTf2]離子液體（ILs）之間的氫鍵作用成功制備了具有機(jī)械強(qiáng)度高且超穩(wěn)定的透明離子凝膠，并展示了其用作柔性皮膚傳感器的機(jī)械性導(dǎo)體的用途。其中，ILs與彈性體的分子相互作用主要由[NTf2]陰離子所決定。高導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性的離子凝膠具有疏水性和非揮發(fā)性，并且表現(xiàn)出牢固的附著力，對金屬電極沒有化學(xué)腐蝕性。當(dāng)使用超穩(wěn)定離子凝膠作為傳感器時，即使在惡劣的環(huán)境（高真空、高/低溫和高濕度）條件下，也可以有效監(jiān)控各種運(yùn)動行為。鑒于ILs和聚合物的多樣性，或許可以將該策略擴(kuò)展到制備具有各種功能（自愈能力、發(fā)光或響應(yīng)能力等）的柔性材料?？傊?，該工作中報(bào)道的離子凝膠制備方法是一種經(jīng)濟(jì)高效的簡便制造方法，將極大的拓寬可拉伸透明電子器件的領(lǐng)域。

全文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/mh/c9mh01699f#!divAbstract