離子凝膠為柔性電子器件提供了創(chuàng)新的應用與未來前景，涵蓋可穿戴電子器件、軟機器人和智能系統(tǒng)等領域。用于柔性電子器件的離子凝膠受壓力、溫度、濕度和溶劑等因素影響時需要保持良好的導電性、結構穩(wěn)定性、加工兼容性和靈敏度。盡管柔性傳感器器件的微型化、集成化和無線操作等特點提高了其靈敏度，增加了器件的選擇性、舒適性和便利性，但也帶來了制造方面的挑戰(zhàn)。因此，當前離子凝膠傳感器面臨的關鍵問題是開發(fā)性能優(yōu)異的離子凝膠，明晰離子凝膠傳感器的內在傳感機制，最終推動微型集成柔性傳感器件的創(chuàng)新應用。

近期，中國科學技術大學桂宙教授和朱紀欣教授團隊在Advanced Fiber Materials期刊上發(fā)表了題為“Unlocking Intrinsic Conductive Dynamics of Ionogel Microneedle Arrays as Wearable Electronics for Intelligent Fire Safety”的研究成果。該研究詳細報道了一系列高性能離子凝膠材料，利用密度泛函理論計算、分子動力學模擬，以及原位溫度依賴光譜技術揭示其內在傳感機制。此外，研究團隊還制備了一系列可定制結構的仿生微針離子凝膠器件。基于這些成果，他們還開發(fā)了實時智能監(jiān)測系統(tǒng)，通過物聯網、短程無線通信和智能移動應用技術的集成，實現了智慧消防安全雙效預警。中國科學技術大學鄭亞鵬博士研究生為本文的第一作者，桂宙教授與朱紀欣教授為共同通信作者。

圖1為離子凝膠的結構和形態(tài)，其分子結構包含多種動態(tài)鍵，尤其是氫鍵和離子鍵，這些非共價相互作用形成自發(fā)變化和可逆過程，在可穿戴電子器件中顯示出非凡的應用潛力。研究團隊通過紫外線（UV）固化技術進行原位光聚合反應，成功制備了一系列具有優(yōu)異機械性能的離子凝膠，包括高拉伸性（伸長率約為794%）、高耐壓性（變形率約為90%）、高機械強度（拉伸強度和壓縮強度分別為約2.0 MPa和約16.3 MPa）以及出色的透明度（透光率> 91.1%）。此外，研究團隊選擇了具有代表性的溶劑進行溶脹試驗，評估并證實了離子凝膠在不同環(huán)境條件下的耐受性。

圖1離子凝膠的結構和形態(tài)

圖2離子凝膠的機械和電學性能表征

研究團隊通過微電子印刷技術在銀電極上實現離子凝膠的印刷，制備了微型柔性電子器件。離子凝膠器件的電阻變化受溫度范圍影響，隨著溫度的升高，柔性器件的電阻顯著降低。在30℃~ 45℃的溫度范圍內，離子凝膠器件的熱敏系數（Tcr = -2.074%，R2= 0.993）較高；經歷連續(xù)循環(huán)多次升降溫后，其電阻變化基本保持一致，表明其具備優(yōu)異的溫度傳感穩(wěn)定性。

圖3離子凝膠的機械和電學性能表征

受微針貼片技術的啟發(fā)，研究團隊結合數字光處理（DLP）3D打印、模具鑄造和原位光固化技術（圖4a），開發(fā)出一系列可定制結構的離子凝膠器件，如微圓柱形、微半球形、微球形和微金字塔形的微針陣列結構，結合有限元分布模擬證實了熱行為和機械穩(wěn)定性（圖4b ~ 4i）。通過將數字電極與仿生微針結構離子凝膠相結合，制備出靈活的柔性傳感系統(tǒng)。

為了驗證柔性傳感系統(tǒng)在實際應用中的可行性，研究團隊開發(fā)了基于可穿戴安全器件的實時智能監(jiān)控系統(tǒng)，可實現實時信號采集、處理和溫度傳輸，并通過物聯網、短程無線通信和智能移動應用技術的集成進行無線監(jiān)測。如圖4j ~ 4p所示，該系統(tǒng)能夠實時無線探測和監(jiān)測外部環(huán)境或人類活動產生的熱刺激。無線可穿戴監(jiān)測系統(tǒng)包括：信號采集模塊、控制電路模塊、中央處理器即單片機、無線藍牙傳輸模塊以及智能手機APP實時接收模塊。系統(tǒng)獲取安全裝置電阻的變化并轉換為輸出電壓信號，傳送到微控制器；微處理器處理收集到的信號，并通過藍牙模塊傳輸；藍牙接收器將傳感器的數字信號轉換成數據，通過智能手機APP實時分析和顯示。研究團隊成功展示出該系統(tǒng)在實際應用中的可行性（圖4），包括實時監(jiān)測外部火焰接觸點溫度，以及在不同狀態(tài)（正常、預警、報警狀態(tài)）下智能視聽雙效警報系統(tǒng)的效果。

圖4實時智能安全監(jiān)控系統(tǒng)

綜上所述，本工作采用簡便通用的方法制備了一系列離子凝膠材料，具有高透明度、優(yōu)異的機械和電氣性能、出色的電化學穩(wěn)定性、環(huán)境耐受性以及良好的應變和溫度傳感能力。此外，研究團隊展示了微針陣列結構離子凝膠器件可應用于定制化可穿戴安全熱敏器件的潛力，并開發(fā)了實時智能監(jiān)控系統(tǒng)用于智慧消防安全預警和溫度指示。

審核編輯：劉清