本研究由J.C. Dias, D.M. Correia, C.M. Costa, C. Ribeiro, A. Maceiras, J.L. Vilas, G. Botelho, V. de Zea Bermudez和S. Lanceros-Mendez共同完成。主要作者分别来自葡萄牙的米尼奥大学（Centro de Física, Universidade do Minho; Centro de Química, Universidade do Minho）、特拉斯奥斯蒙蒂斯和上杜罗大学（Departamento de Química and CQ-VR, Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro）、以及西班牙的巴斯克材料、应用与纳米结构中心（BCMaterials, Basque Center for Materials, Applications and Nanostructures）和巴斯克大学（Departamento de Química Física, Universidad del País Vasco/EHU）等多个研究机构。该研究成果于2018年11月15日在线发表在电化学领域的知名期刊《Electrochimica Acta》的第296卷上。
这项研究属于电活性聚合物（Electroactive Polymers, EAPs）与智能材料领域，具体聚焦于离子聚合物-金属复合材料（IPMC）类型的弯曲致动器。电活性聚合物作为一种智能材料，在传感器、致动器、能量收集和生物医学等领域具有广泛应用前景。其中，离子型电活性聚合物致动器因其具有低成本、低重量、低工作电压和大变形等优点而备受关注，但同时也存在响应慢、在直流电压下难以维持恒定位移、需要保持湿润以及转换效率低等缺点。为了克服这些限制，研究者们致力于开发离子液体（Ionic Liquid, IL）/聚合物复合材料。聚偏氟乙烯（Poly(vinylidene fluoride), PVDF）及其共聚物具有高介电常数和优异的电活性响应，且易于加工，生物相容性好，被认为是制备此类复合材料的理想基体。该研究的主要目的是系统评估不同聚合物基体（包括PVDF及其共聚物PVDF-TrFE、PVDF-HFP、PVDF-CTFE）对离子液体复合材料性能的影响，旨在通过优化聚合物基体与离子液体之间的相互作用，开发出具有更高性能的弯曲致动器。
研究的详细工作流程主要包括以下几个步骤：首先，制备复合材料样品；其次，对复合材料进行系统的物理化学与电学表征；最后，评估其弯曲致动性能。
在第一阶段，即复合材料制备中，研究者选择了1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺盐（[EMIM][TFSI]）作为离子液体，将其与四种聚合物基体（PVDF、PVDF-TrFE、PVDF-HFP、PVDF-CTFE）分别混合。制备方法采用溶剂浇铸法。具体而言，将每种聚合物溶解于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶剂中，形成聚合物/溶剂质量比为15/85的溶液。待聚合物完全溶解后，向溶液中加入不同质量百分比（0， 10， 25， 40 wt%）的离子液体。随后，将溶液倒入模具，在210°C的烘箱中加热10分钟以蒸发溶剂，最终得到厚度约为50微米的复合薄膜样品。
在第二阶段，对制备的复合材料进行了全面的表征。这包括：1）利用傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析复合材料的化学结构和结晶相组成，特别是电活性β相的含量。2）采用差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）研究复合材料的热性能，如熔融温度、结晶度以及热稳定性。3）通过万能试验机进行室温下的拉伸测试，以获得复合材料的应力-应变曲线和杨氏模量等机械性能。4）使用LCR表测量复合材料的电容和介电损耗，并计算其介电常数和交流电导率，以评估电学性能。这些表征旨在揭示离子液体含量和聚合物类型对复合材料微观结构（如结晶相）、热稳定性、机械柔韧性和离子导电性的影响规律。
在第三阶段，即致动性能评估中，研究者在复合薄膜样品两侧通过磁控溅镀金电极，制成尺寸为12 mm × 2 mm的致动器测试件。将样品固定在一个带有高清摄像头的样品架上，留下10 mm的自由长度。样品通过导线连接到函数发生器和示波器。研究者使用方波信号作为激励，在不同的峰值电压（2.0， 5.0， 10.0 Vpp）和不同频率（10， 100， 500 mHz）下，测量致动器尖端在电场作用下的位移。通过公式ε = (3dδ) / (2L²)（其中L是自由长度，d是厚度，δ是位移）将位移转换为弯曲应变，以此定量评价其致动性能。整个评估流程旨在系统地探究电压、频率和聚合物基体类型对致动器弯曲响应的影响。
研究取得了丰富且具有逻辑关联性的结果。在结构表征方面，FTIR分析表明，除PVDF-TrFE（本身总是结晶为β相）外，向PVDF、PVDF-HFP和PVDF-CTFE基体中引入离子液体，均能促进极性电活性β相的形成。β相含量随离子液体含量的增加而增加，其顺序为：PVDF-TrFE (100%) > PVDF (86%) > PVDF-HFP (71%) > PVDF-CTFE (66%)。这一结果至关重要，因为它直接证实了离子液体与聚合物链中带负电的CF₂基团之间存在静电相互作用，这种相互作用有利于聚合物链形成全反式构象，从而诱导β相成核。高热性能分析显示，所有复合材料的熔融温度（Tm）和结晶度（Xc）均随离子液体含量的增加而降低。这归因于离子液体的增塑效应及其与聚合物主链的络合作用，降低了分子链的有序排列能力。TGA结果显示复合材料在400-500°C发生单步降解，离子液体的加入略微降低了热降解温度，表明离子液体与聚合物链的相互作用影响了热稳定性。机械性能测试表明，离子液体的加入对所有聚合物基体均产生了显著的塑化效果，表现为杨氏模量随离子液体含量增加而急剧下降，最大应变则相应增加。这使得复合材料变得更加柔软，这对于需要大弯曲变形的致动器应用是有利的。
在电学性能方面，研究结果清晰地显示，复合材料的介电常数和交流电导率均随离子液体含量的增加而显著增加，且在所有测试频率范围内都表现出这种趋势。这一结果与离子液体作为离子电荷载体的贡献直接相关。离子液体的加入增加了复合材料中可移动离子的浓度，从而提高了材料的离子电导率。介电常数的增加也与界面极化和离子在电极附近积累形成的双电层有关。这些电学特性的改善是致动器获得良好机电响应的基础。
最重要的发现体现在弯曲致动性能测试中。研究发现，致动器的弯曲行为强烈依赖于聚合物基体类型。对于含40 wt%离子液体的复合材料，在5.0 Vpp、100 mHz的激励下，IL/PVDF-TrFE复合材料表现出最大的位移（约3.5 mm），其次是IL/PVDF（约3 mm）。然而，IL/PVDF和IL/PVDF-TrFE复合材料只表现出单向弯曲（即仅在电场一个方向时弯曲，反向时仅回复原位），而IL/PVDF-HFP和IL/PVDF-CTFE复合材料则能实现双向弯曲（即电场反向时能向相反方向弯曲）。这一差异可以通过离子迁移机制和聚合物链的灵活性来解释。PVDF和PVDF-TrFE基体具有最高的β相含量，这意味着更强的离子-偶极相互作用，使得离子（特别是阳离子和阴离子）在聚合物网络中的迁移受到更多限制。当电场反向时，离子难以快速扩散穿过已被占据的位置，导致它们只能返回初始位置，从而只观察到回复运动，而非反向弯曲。相比之下，PVDF-HFP和PVDF-CTFE由于引入了体积较大的HFP单体或存在C-Cl偶极相互作用，其结晶度较低，聚合物链更具柔性和无定形区域，为离子的迁移提供了更多空间和通道，从而允许离子在电场反向时重新分布，实现双向弯曲。此外，研究还发现，在测试范围内，致动器的位移随施加电压的增加而增加（最高至5.0 Vpp），但随着频率的增加而减小。这归因于离子的迁移和积累速度有限，无法跟上高频电场的变化。
基于以上结果，本研究得出以下结论：通过调控聚合物基体与离子液体[EMIM][TFSI]的相互作用，可以显著改善离子液体基弯曲致动器的性能。PVDF-TrFE共聚物基体因其固有的高β相含量和与离子液体之间良好的相互作用，在与40 wt%离子液体复合时表现出最优异的弯曲致动响应（最大位移约3.5 mm），是最有前途的候选材料。聚合物链的化学结构（如引入的共聚单体类型）通过影响结晶度、链柔性和离子-聚合物相互作用，最终决定了复合材料的机械性能、电学性能和致动模式（单向或双向）。研究证实，提高离子电导率、降低材料刚度（杨氏模量）以及优化离子在聚合物基体中的迁移通道，是提升此类致动器性能的关键。
本研究的科学价值在于系统地阐明了聚合物基体的化学结构（从均聚物到不同共聚物）在离子液体/聚合物复合型电致动器中的核心作用，深化了对“结构-性能-致动行为”之间关系的理解。其应用价值在于为设计高性能、低工作电压（低至5 V）的柔性致动器提供了明确的材料选择和配方指导。这类致动器在软体机器人、微流体系统、生物医学设备（如人工肌肉、微创手术工具）等领域具有广阔的应用前景。
本研究的亮点在于：首先，研究目标具有特殊性，它不是简单比较不同离子液体，而是聚焦于不同的PVDF基聚合物基体，系统研究了共聚单体类型对复合材料全面性能和致动行为模式的影响，这是一个被较少深入探索的维度。其次，研究发现了重要的现象，即基于PVDF和PVDF-TrFE的复合材料表现出单向弯曲，而基于PVDF-HFP和PVDF-CTFE的复合材料表现出双向弯曲，并将此现象与基体的结晶度、链柔性和离子迁移能力进行了机理关联，提供了深刻的物理解释。最后，研究流程完整且严谨，从材料制备、多尺度表征（化学、热学、机械、电学）到最终的功能性能测试，构成了一个闭环的研究体系，数据相互支撑，逻辑链条清晰，结论可靠。