【人物与科研】东华大学武培怡和孙胜童课题组Adv. Mater.：离电液晶弹性体纤维实现离子电导率随拉伸上千倍提升
导语
可拉伸离子导体是构筑类组织柔性电子器件的重要组成部分。然而，受制于柔性高分子网络的传统结构设计，现有的可拉伸离子导体在拉伸过程中表现出非常有限的离子电导率响应。近日，东华大学武培怡和孙胜童课题组设计合成了一种新型的离电液晶弹性体纤维，结构上含有交替排列的刚性液晶基元和柔性间隔基，拉伸过程中表现出前所未有的离子电导率增强行为（拉伸20倍带来1000倍电导率提升）。这一特殊电导率响应性质是由于拉伸诱导液晶基元取向，进而发生微相分离形成了类似于“泳道”的超快离子传输通道所致。这一发现为可拉伸离子导体离子传导行为的力学调制以及开发多样化离子传感及致动器件提供了崭新的设计思路，相关研究成果发表在Adv. Mater. （2021, DOI: 10.1002/adma.202103755）。
武培怡和孙胜童课题组简介
东华大学武培怡和孙胜童课题组主要从事新型可拉伸离子导体的设计合成与感知应用领域的基础性研究工作，致力于利用二维相关光谱等先进的谱学分析手段理解智能高分子粘弹网络体系的相互作用机制，并在此结构与性能关系基础上开发面向人工智能与人机交互的可拉伸及自适应感知离子导电材料。在这一研究领域，该课题组近五年在Adv. Mater.、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Joule、Adv. Funct. Mater.、Mater. Horiz.等杂志共发表了30余篇论文。
前沿科研成果
离电液晶弹性体纤维实现离子电导率随拉伸上千倍提升
生命体系的生理活动时刻依赖离子传导。可拉伸离子导体是模拟弹性生物组织离子传输的重要材料，由此发展形成的“可拉伸离电学”在仿生皮肤、人工肌肉、可拉伸储能、软机器人等领域取得了广泛应用。然而，现有的可拉伸离子导体大都基于柔性高分子网络，拉伸时离子电导率仅发生轻微提升。这一“温吞”的机电耦合特性使得可拉伸离子导体既无法像电子导体一样具备较高的电阻感知灵敏度，也无法在拉伸过程中维持高效离子电导以确保信号传输质量，难以匹配当前可拉伸电子器件的多样化需求。
受“泳道”启发，通过离子传导迂曲度调制，该课题组设计合成了一种具有超高力学韧性的离电液晶弹性体（IonoLCE）纤维，打破了常规可拉伸离子导体的固有机电耦合特性，实现了离子电导率随拉伸上千倍提升，且该变化过程完全可逆。与基于柔性网络的离子导体不同，IonoLCE结构中含有交替排列的刚性液晶基元与柔性间隔基，引入的含氟疏水离子液体仅与柔性间隔基相互作用。拉伸首先引起液晶基元有序排列，而继续拉伸则迫使液晶基元发生近晶相密堆积，从而与离子液体微相分离形成了高度有序的快速离子通道。
图1. 离电液晶弹性体纤维的设计合成
（图片来源：Adv. Mater.）
IonoLCE表观完全透明（透明度约92%），液晶相转变温度约为49.8 ℃。力学表征显示，IonoLCE纤维具有较低的初始模量（0.5 MPa）、极高的拉伸率（2700%）、良好的拉伸回复（99%回复率）以及极强的力学韧性（56.9 MJ m-3），可轻松反复提取约1.5公斤的重物。拉伸20倍使得纤维离子电导率由0.14 mS m-1提升至143.86 mS m-1，对应于1028倍增强，这一增强系数远超其他可拉伸离子导体。
图2. 离电液晶弹性体纤维的光学、力学和电学表征
（图片来源：Adv. Mater.）
作者通过低场核磁氟谱、SAXS、红外、分子模拟等多种表征手段分析了IonoLCE纤维电导率急剧提升的分子机制。研究发现，离子电导率提升主要发生在单畴向列相向近晶相的转变过程。由于刚性液晶基元在拉伸过程中密堆积，离子液体与液晶弹性体网络相容性变差，从而发生微相分离形成了沿拉伸方向高度有序且相互贯通的离子通道。这些离子通道起到了类似 “泳道”的作用，使得离子这些“运动员”可以以最短时间通过。
图3. 离电液晶弹性体纤维电导率增强效应的结构解析
（图片来源：Adv. Mater.）
电导率随拉伸急剧提升使得IonoLCE纤维具有反Pouillet定律预测的电阻变化曲线，在121%应变后电阻急剧下降，而618%应变后缓慢增长。这一特殊电阻变化可实现与常规离子导体传感截然不同的波形传感，即拉伸至不同应变可反馈不同的电阻变化波形。
图4. 离电液晶弹性体纤维的电阻-应变曲线及波形传感
（图片来源：Adv. Mater.）
此外，将离子液体引入液晶弹性体网络后，IonoLCE纤维仍然保持着极高的致动性能。施加0.2 MPa偏压后，加热至液晶相转变温度可发生约70%的长度收缩。将具有光热功能的分散红染料DR1引入IonoLCE纤维，绿色激光照射可产生远程致动效果。离电液晶弹性体纤维的致动能力还可与感知功能进行一体化协同。将纤维固定至不同应变，激光脉冲会带来同步的收缩力与电阻信号变化。
图5. 离电液晶弹性体纤维的致动性能及感知-致动协同响应
（图片来源：Adv. Mater.）
综上，作者在这一工作中首次报道了具有拉伸诱导离子电导率急剧增强效应的离电液晶弹性体纤维，实现了离子电导率随拉伸上千倍提升，打破了常规可拉伸离子导体的固有机电耦合特性。这一特殊电导率响应行为使得该纤维具有新颖的波形传感特性，且可实现致动与传感一体化协同。这一策略为可拉伸离子导体离子传输行为的力学调制提供了新的分子设计途径。
这一成果近日发表在Advanced Materials上，东华大学化学化工与生物工程学院硕士研究生姚明月为文章第一作者，武培怡教授和孙胜童研究员为论文共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金重大项目（21991123）和重点项目（51733003）的资助。