本文介绍了一项关于多功能、多感官生物离子弹性体（bio-ionoelastomers）的研究，该研究由Chao Dang、Yizhe Shao、Shuwei Ding、Haobo Qi和Wei Zhai*共同完成，发表在《Advanced Materials》期刊上，时间为2024年。该研究旨在开发一种新型的离子弹性体，以替代传统的水凝胶和离子凝胶，推动高性能离子电子设备的发展。

研究背景

离子弹性体在软电子设备、软机器人、人机交互系统等领域具有广泛的应用前景。然而，现有的水凝胶和离子凝胶由于含有液体成分，存在液体泄漏、热稳定性和电化学稳定性差等问题。尽管干态离子导电弹性体（ICE）通过共价交联网络表现出较好的机械性能，但其不可逆的化学键限制了其自修复能力、离子导电性和可回收性。为了克服这些挑战，研究人员提出了基于动态共价键和超分子设计的离子弹性体，旨在实现高韧性、高拉伸性、自修复能力、高离子导电性、可再加工性和可回收性。

研究流程

研究通过熔融合成法，将硫辛酸（LA）、羟丙基纤维素（HPC）和双（三氟甲烷）磺酰亚胺锂盐（LiTFSI）结合，构建了具有层次动态键（CAN-HDB）的动态共价离子弹性体（DCIE）。具体步骤如下： 1. 材料合成：将LA加热至140°C熔融，加入LiTFSI和不同比例的HPC，搅拌30分钟后冷却至室温，得到DCIE。 2. 结构表征：通过拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）等手段，验证了DCIE的结构和动态键的形成。 3. 机械性能测试：通过单轴拉伸测试，评估了不同HPC含量对DCIE拉伸性、强度和韧性的影响。 4. 自修复性能测试：通过切割和修复实验，验证了DCIE在室温下的自修复能力。 5. 离子导电性测试：通过电化学阻抗谱（EIS）测量了DCIE的离子导电性，并研究了温度和HPC含量对导电性的影响。 6. 多感官性能测试：研究了DCIE对温度、湿度和应变的响应能力，验证了其作为多模态传感器的潜力。

主要结果

1. 机械性能：DCIE表现出极高的拉伸性（1011.7%）和韧性（3877 kJ m⁻³），且随着HPC含量的增加，拉伸强度显著提高，但拉伸性有所下降。
2. 自修复能力：DCIE在室温下表现出快速的自修复能力，修复效率在12小时内达到接近原始样品的水平。
3. 离子导电性：DCIE的离子导电性达到3.94 × 10⁻⁴ S m⁻¹，且随着温度的升高，导电性显著增强。
4. 多感官性能：DCIE能够对温度、湿度和应变产生连续的电气信号响应，表现出优异的多感官特性。

结论

该研究成功开发了一种基于动态共价键和超分子设计的生物离子弹性体（DCIE），具有高韧性、快速自修复能力、高离子导电性、可再加工性和多感官特性。DCIE在软电子设备、可穿戴传感器和远程医疗监测等领域具有广泛的应用前景。

研究亮点

1. 多功能集成：DCIE成功集成了高韧性、自修复能力、高离子导电性和多感官特性，突破了传统离子弹性体的性能限制。
2. 绿色合成：采用生物基材料（LA和HPC）和熔融合成法，避免了有毒溶剂和复杂设备的使用，符合可持续发展的趋势。
3. 多模态传感：DCIE能够同时响应温度、湿度和应变，为开发多功能传感器提供了新的思路。

应用价值

DCIE在远程医疗监测、个性化健康管理和康复治疗等领域具有重要的应用价值。例如，DCIE可以用于实时监测体温、呼吸模式和帕金森病患者的异常震颤，为医生提供远程诊断的依据。

该研究不仅为开发多功能离子导体提供了新的思路，还为软离子电子传感器的应用开辟了新的可能性。