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山東大學(xué)劉亞慶課題組 ACS AMI: 可重構(gòu)的超分子水凝膠觸摸屏
2023-01-18  來(lái)源:高分子科技

  近年來(lái),離子導(dǎo)電水凝膠材料被廣泛應(yīng)用于制備傳感器、觸摸屏等離子器件,并展現(xiàn)出良好的生物相容性及出色的機(jī)械適應(yīng)性。離子導(dǎo)電水凝膠通常由高分子聚合形成的三維凝膠網(wǎng)絡(luò)和作為電荷載流子的鹽離子構(gòu)成,但受其共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的限制,此類(lèi)水凝膠的可重構(gòu)性較差,往往需要儀器輔助或外加化學(xué)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)重建,在實(shí)際的回收過(guò)程中帶來(lái)諸多不便。因此,開(kāi)發(fā)新型的可回收、可重構(gòu)的電學(xué)材料有著重要的實(shí)際需求。


  由小分子凝膠因子通過(guò)非共價(jià)相互作用自組裝形成的超分子水凝膠,其凝膠網(wǎng)絡(luò)常對(duì)外界刺激如光、熱、力、化學(xué)添加物等具有響應(yīng)性。其中,依托于凝膠的觸變性,由機(jī)械力誘導(dǎo)的溶液-凝膠可逆轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)室溫條件下可回收重構(gòu)的電學(xué)材料提供了新的思路。因此,小分子凝膠的刺激響應(yīng)性在功能性離子器件開(kāi)發(fā)中具有獨(dú)特的潛力。然而,大量離子的引入常會(huì)擾亂超分子組裝體間的非共價(jià)相互作用,阻礙三維凝膠網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑,小分子水凝膠在離子器件中的應(yīng)用依然存在技術(shù)性挑戰(zhàn)。


  為解決上述問(wèn)題,山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院劉亞慶教授課題組開(kāi)發(fā)了鋰離子誘導(dǎo)成膠策略,成功設(shè)計(jì)了由 Bola 型兩親分子和鋰離子自組裝形成的具有觸變性的小分子水凝膠(圖1)。在該凝膠中,鋰離子不僅與兩親分子的頭基發(fā)生相互作用,共同構(gòu)筑了超分子組裝體,同時(shí)作為電荷載流子賦予凝膠良好的導(dǎo)電性(圖2)。繼而通過(guò)聚合物輔助方法引入少量聚乙烯醇鏈段構(gòu)筑復(fù)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),顯著提高了該凝膠的壓縮強(qiáng)度(圖2使其滿足觸摸屏的在日常使用中的力學(xué)強(qiáng)度需要;谠搶(dǎo)電超分子水凝膠,研究人員成功開(kāi)發(fā)了表面電容式觸摸屏。該觸摸屏可以靈敏感知觸碰信息,準(zhǔn)確定位觸碰位置(圖3)。得益于該水凝膠的觸變性,在室溫條件下通過(guò)簡(jiǎn)單的回收攪拌,即可按需將該水凝膠觸摸屏重構(gòu)至任意形狀(圖4)。該工作不僅擴(kuò)寬了小分子水凝膠的應(yīng)用場(chǎng)景,同時(shí)為開(kāi)發(fā)具有可回收重構(gòu)的電學(xué)器件材料提供了新思路。 


圖1 基于可重構(gòu)導(dǎo)電超分子水凝膠的觸摸屏 


圖2 導(dǎo)電超分子水凝膠的組裝機(jī)理及力學(xué)性能 


圖3 導(dǎo)電超分子水凝膠觸摸屏的位置識(shí)別性能 


機(jī)械力誘導(dǎo)可重構(gòu)導(dǎo)電超分子水凝膠觸摸屏


  相關(guān)成果以"A Reconfigurable Touch Panel Based on a Conductive Thixotropic Supramolecular Hydrogel"為題發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。文章第一作者為山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院22碩士生胥琳現(xiàn)于荷蘭萊頓大學(xué)攻讀博士學(xué)位。通訊作者為山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院劉亞慶教授工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金和山東省自然科學(xué)基金的支持。北京科技大學(xué)王天宇教授,中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所劉鳴華研究員對(duì)該研究提供了指導(dǎo)和幫助。


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c18471

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