【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】基于Grotthuss跳躍機制的質(zhì)子導(dǎo)體在形變傳感領(lǐng)域具有獨特優(yōu)勢。與依靠金屬離子或離子液體等載荷離子擴散遷移的傳統(tǒng)形變傳感電解質(zhì)不同，Grotthuss機制通過氫鍵網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)重構(gòu)來實現(xiàn)質(zhì)子傳導(dǎo)，顯著降低了質(zhì)子遷移的能壘。這一特性使質(zhì)子導(dǎo)體在低溫或高頻形變等苛刻環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定的傳導(dǎo)性能，克服了傳統(tǒng)傳感材料在極端工況下信號失真的不足。特別是在動態(tài)形變監(jiān)測中，氫鍵網(wǎng)絡(luò)的快速重構(gòu)確保了質(zhì)子傳導(dǎo)與機械變形的實時同步響應(yīng)，改善了常規(guī)傳感材料在快速機械刺激下的信號遲滯。這些特性使質(zhì)子導(dǎo)體成為實現(xiàn)超快響應(yīng)形變傳感的理想候選材料。然而，高效的質(zhì)子傳導(dǎo)機制導(dǎo)致體系對外界機械刺激的響應(yīng)信號強度不足，造成傳導(dǎo)效率與響應(yīng)靈敏度之間的矛盾，是制約質(zhì)子導(dǎo)體在形變傳感領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)問題，亟需通過創(chuàng)新材料設(shè)計策略予以突破。
針對上述難題，李昊龍教授團隊提出了基于層狀液晶結(jié)構(gòu)的響應(yīng)增強策略。通過調(diào)控多金屬氧簇(SiW)與共熔導(dǎo)向分子(HPS)及結(jié)構(gòu)導(dǎo)向分子(IBS)間的超分子組裝行為及共熔效應(yīng)，制備了具有有序?qū)訝罴{米通道的液晶質(zhì)子導(dǎo)體。研究通過優(yōu)化體系的靜電與氫鍵作用，實現(xiàn)了質(zhì)子傳導(dǎo)性與形變響應(yīng)性的協(xié)同提升。分子動力學(xué)模擬表明IBS/HPS分子在SiW團簇周圍發(fā)生自組裝微相分離，形成了具有交替排列特征的層狀超晶格結(jié)構(gòu)，為質(zhì)子傳輸提供了高度定向的傳導(dǎo)路徑。該結(jié)構(gòu)在維持良好質(zhì)子傳導(dǎo)性能(30℃，7.94×10-4S cm-1)的同時，表現(xiàn)出靈敏的形變響應(yīng)特性。而且，該類液晶質(zhì)子導(dǎo)體可以與彈性聚合物織物復(fù)合制備柔性可拉伸電解質(zhì)，在100%拉伸應(yīng)變條件下可實現(xiàn)高達340%的電阻變化率(ΔR/R)，其靈敏度系數(shù)(GF)達到3.7，較傳統(tǒng)均相電解質(zhì)材料提升超過5倍。
該研究通過層狀液晶通道設(shè)計，將結(jié)構(gòu)有序性與動態(tài)響應(yīng)性在質(zhì)子導(dǎo)體中有效結(jié)合，解決了質(zhì)子導(dǎo)體傳感信號強度不足的問題，為發(fā)展高靈敏柔性形變傳感器提供了新策略，相關(guān)設(shè)計理念可拓展至其他功能離子導(dǎo)體的開發(fā)，在可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。上述成果以"Nanocluster-Based Liquid Crystal Electrolytes for Deformation-Responsive Proton Conductors"為題發(fā)表于Nano Letters(DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c02003)。吉林大學(xué)鼎新博士后柴圣超為第一作者，李昊龍教授為通訊作者。
圖1. (a)層狀液晶質(zhì)子導(dǎo)體的設(shè)計與微相結(jié)構(gòu)；(b, c)在不同應(yīng)變下的相對電阻變化率及靈敏度。
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