柔性电子投稿期刊

作者 | 张晴丹

你能想象0.2克的“绳子”可以提起5公斤重的物体吗？

没开玩笑，这是科研人员创造出的一种力学性能惊人的新材料。它不但具有很好的拉伸性能，拉伸长度能达600%，而且还非常坚韧。

近日，美国北卡罗来纳州立大学Dickey实验室博士后王美香以第一作者的身份，在Nature Materials上发表论文，介绍了这款新材料。它属于离子液体凝胶的一种，在抗拉伸性能和韧性上创造了这类材料的最高纪录，也展现出比水凝胶更广阔的应用前景。

评审专家之一、麻省理工学院教授赵选贺认为，“这些透明的离子液体凝胶具有非常坚韧的机械性能，而且最大的亮点是制作简单，易于使用。”

1+1 10，凝胶界的“佼佼者”

“通常凝胶的机械性能很弱，比如豆腐。但在自然界中也有例外，比如人体内的软骨。一些研究人员一直在努力制造坚韧的凝胶，这启发了我们。”论文共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学Dickey实验室负责人Michael D. Dickey告诉《中国科学报》。

此次创造出的离子液体凝胶含有超过60%的离子液体，主要包含丙烯酸和丙烯酰胺两种物质，前者是用于婴儿尿不湿吸水的主要材料，后者是用于隐形眼镜的主要材料。最后，混合材料兼具了聚丙烯酰胺和聚丙烯酸离子液体凝胶的优点，实现了1+1 10的效果。

王美香介绍，新材料透明度达90%以上，其内部的聚合物网络微结构使凝胶拥有极高的力学性能，可拉伸而且非常坚韧。拉伸的长度能达600%，模量有约50个兆帕，断裂强度约有13个兆帕。这是目前离子液体凝胶界的最高纪录。

论文中展示的是用0.2克的离子液体凝胶材料，轻松提起1公斤重量的物体。事实上提起5公斤的重量也不在话下，但因实验室没有5公斤的标准件，他们后来用5公斤的水桶做了实验，材料本身不会有任何破损。

离子液体这个溶剂本身不挥发，且具有很高的热稳定性和导电性。因此，创造出的这款离子液体凝胶具有广阔的应用前景。“可用于电池、传感器、3D打印、致动器和柔性电子设备等。”Michael D. Dickey说。

可穿戴柔性电子器件是当下科学研究的热门之一，要同时满足可弯折、扭曲、拉伸等需求，所以对材料的要求极高。以往做展示用的较多的是传统柔性材料——水凝胶，但水凝胶稳定性是个大问题，长期暴露在空气中会导致水分蒸发、性能受损。

“离子液体凝胶完全可以替代水凝胶在可穿戴柔性电子器件上的应用。首先它很稳定不挥发，不需要任何包覆；其次具有高导电性，不需要额外添加导电介质；可穿戴设备往往需要大变形，离子液体凝胶还可以用来开发应变传感器。”王美香说，“还有一点，它具有自愈合和形状记忆的特性。”

一步法轻松做成

长期以来，在凝胶材料领域最火的，非水凝胶莫属。

实际上，水凝胶在生活中已相当常见。比如，隐形眼镜、果冻、龟苓膏等都是水凝胶的“产物”。自62年前水凝胶横空出世，科研人员便绞尽脑汁地挖掘其力学性能，涌现了无数重大成果。

但同为凝胶材料，离子液体凝胶领域的研究则发展较慢。例如力学性能研究还是一块空白，很难把它的力学性能做到与高强度水凝胶相媲美的程度。

在这篇论文发表之前，合成高强度离子液体凝胶的方法并不易。为了提高材料的力学性能，一些研究人员采用多步法或者溶剂交换，整个过程耗时长、成本高，而且浪费资源。

挑战不可能，这是科研工作者骨子里的基因，恰好离子液体这个溶剂的“72般变化”也让王美香着迷。

“顾名思义，水凝胶用的溶剂只有一种，就是水，而离子液体凝胶用的溶剂是离子液体，有成千上万种，这正是它的魅力所在。”王美香对《中国科学报》说。离子液体在室温下是一种液态的熔融盐，里面含有正离子和负离子，只要熔融盐里的正负离子不一样，就可以实现离子液体的千变万化。

研究选材是从聚丙烯酸和聚丙烯酰胺的单体开始。

最初，王美香把两种材料分开来做。当把丙烯酰胺融到离子液体后，产生的凝胶跟她预想的完全不一样，不透明、发白，就像晒干的面条一样特别脆，一碰就断。随后她又试了丙烯酸，做出来的凝胶则超级软，透明度达到百分百。

完全就是两种极端！这让她无比兴奋，如果把三者混在一起，会擦出什么样的火花呢？

“把丙烯酰胺和丙烯酸融到离子液体里，再加入引发剂和交联剂，然后混匀，用高功率紫外灯照射，3分钟就能制作出论文中这种新型混合材料。”王美香说，“就是这么简单。”

一步法就这样诞生了！它为离子液体凝胶研究开启了新世界的大门。

为实验蓄能，把理论变为现实

王美香在西安交通大学读博期间，就一直从事水凝胶研究。但她看到了离子液体凝胶材料的巨大潜力，因此萌生了调整研究方向的想法。

2018年12月，王美香从西安交通大学获得材料科学与工程博士学位后，进入北卡罗来纳州立大学Dickey实验室做博士后，主要致力于高机械性能凝胶材料的设计和制备，以及研究其在可穿戴柔性电子器件、全固态电池以及超级电容器、传感器和驱动器等领域的应用。

在新的平台，王美香也顺利转换到新赛道，开始离子液体凝胶材料研究。

但是，王美香刚进入北卡罗来纳州立大学，新冠疫情就来了，一下打乱了研究计划，学校封闭，无法进入实验室。

她便利用这段时间查阅文献，为实验蓄能。在家“闭关”三个月后，终于等来复工的消息。王美香便一头扎进实验里，每天在实验室待八个小时，把实验过程中看到的现象记录下来，晚上回家查资料来分析这些现象的成因。

幸运的是，这项工作从始至终都比较顺利，这篇论文投给期刊也很快被接收。并且，评审专家都对该成果给了很高的评价。

“接下来，我们将会做应用方面的拓展，想把离子液体凝胶与3D打印技术相结合，用于开发新型柔性机器人。”王美香说。

参与这项研究的一共有9位作者，其中华人学者就有4位。除了王美香，另外3位分别是论文共同通讯作者、西安交通大学教授胡建，西安交通大学硕士生张鹏尧，以及美国内布拉斯加州大学林肯分校研究助理教授钱文。

根据最近的学术报道，苏州大学材料与化学化工学部的汪胜教授团队最近发表了一篇题为“CoCu纳米芯片的反应性气体传感器应用研究”的论文。该研究利用电化学沉积法制备了CoCu合金纳米芯片，并将其应用于反应性气体传感器中。研究显示，在CO2和NH3等反应性气体的作用下，CoCu纳米芯片的电阻率发生明显变化。通过进一步的分析和实验，研究人员得出结论：CoCu纳米芯片可用作一种非常灵敏和准确的反应性气体传感器，并有望在环境检测、医疗诊断和制药生产等领域发挥重要作用。这项研究成果为新型纳米电化学材料的研究开辟了新的思路，对于促进纳米传感器技术的发展也具有重要意义。

导读

背景

上世纪九十年代初，碳纳米管就开始出现，并一度被誉为“神奇材料”，应用于纳米技术领域。

碳纳米管是一维纳米材料。从形状上说，它主要是由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。

碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多卓越的力学、电学和化学性能。目前，单个碳纳米管比钢铁和碳纤维强度还要大，导电性比铜更好，重量比铝更轻。

因此，时下碳纳米管正在电子世界掀起一股研究热潮，也很适合下一代电子设备，特别是柔性电子器件，例如柔性的晶体管、传感器、触摸屏、OLED等。

创新

近日，日本名古屋大学研究人员开发出一种更便宜的新方案，它能够简单高效地区分两种碳纳米管。这项工艺可用于量产纯净的单壁碳纳米管（SWCNT），这种碳纳米管可用于高性能电子器件。研究成果发表在《应用物理快报（Applied Physics Express）》期刊上。

技术

单壁碳纳米管具有卓越的电子和机械特性，因此可作为一种理想的材料，广泛应用于一系列电子器件，其中包括LCD显示器中的薄膜晶体管。但问题是，生产出的单壁碳纳米管只有三分之二适用于电子器件。有用的半导体单壁碳纳米管必须与无用的金属单壁碳纳米管分离开来。但是，目前最强大的净化工艺，称为“双水相萃取”，需要使用一种昂贵的多醣，称为“右旋糖酐”。

名古屋大学的有机化学家 Haruka Omachi 及其同事假设，右旋糖酐在分离半导体单壁碳纳米管和金属单壁碳纳米管方面的效力，归功于连接其葡萄糖基的化学键。该团队尝试使用一种价格显著降低、这些化学键却明显更多的异麦芽右旋糖酐，取代右旋糖酐来分开这两种碳纳米管。

一批单壁碳纳米管在含有聚乙二醇和异麦芽右旋糖酐的溶液中静置15分钟，然后离心5分钟。科学家们尝试了三种不同的异麦芽右旋糖酐，每一种都具有不同数量的化学键以及不同的分子质量。团队发现，金属单壁碳纳米管被分离至溶液底部的异麦芽右旋糖酐中，而半导体单壁碳纳米管漂浮到顶部的聚乙二醇中。

价值

具有高相对分子质量和最多化学键的异麦芽右旋糖酐，分离两种单壁碳纳米管时是最高效的（99%）。团队也发现，另一种多醣，称为“普鲁兰多糖”，其葡萄糖基通过不同种的化学键连接，在分离两种单壁碳纳米管方面是不奏效的。研究人员表示，异麦芽右旋糖酐中化学键的数量和种类在有效分离碳纳米管的能力方面扮演着重要角色。

团队还发现，净化后的半导体单壁碳纳米管制造的薄膜晶体管性能非常好。

异麦芽右旋糖酐是一种廉价且广泛应用的多糖，它由作为食用纤维使用的淀粉制成。这使之成为单壁碳纳米管提取工艺的一种划算的替代方案。Omachi 及其同事目前正与一些公司商讨，让他们的方案走向商业化。他们也在致力改善柔性显示器与传感器中采用单壁碳纳米管的薄膜晶体管的性能。

关键字

参考资料

【1】Haruka Omachi, Tomohiko Komuro, Kaisei Matsumoto, Minako Nakajima, Hikaru Watanabe, Jun Hirotani, Yutaka Ohno, Hisanori Shinohara. Aqueous two-phase extraction of semiconducting single-wall carbon nanotubes with isomaltodextrin and thin-film transistor applications . Applied Physics Express, 2019; 12 (9): 097003 DOI: 10.7567/1882-0786/ab369e

【2】