南科大杨灿辉课题组受邀撰写可拉伸离电学前瞻性综述
2023年02月26日 浏览量 :

近日,南方科技大学力学与航空航天工程系教授杨灿辉应Applied Physics Letters主编邀请,撰写了题为“Perspectives on the fundamental principles and manufacturing of stretchable ionotronics”的前瞻性论文,并被编辑团队选为“Featured Article”。

可拉伸离电学在过去十年取得了重要进展,发展了人工肌肉、人造神经、可拉伸离子逻辑电路、光-离子感应器件和离电神经界面等新型器件,在生物医疗、柔性电子、软体机器等领域具有广泛的应用前景。尽管已经取得了令人振奋的进展,但可拉伸离电学的很多研究仍然不够成熟,研究成果仍然停留在实验室水平,距离真正落地、转化还有很长的路要走。杨灿辉教授从2013年起至今,一直从事可拉伸离电学的相关研究;应Applied Physics Letters主编邀请,以可拉伸离电学十年为契机,撰写了前瞻性论文,总结了可拉伸离电学的基本研究思路、可拉伸离电器件工作原理、原型器件的材料选择以及结构设计制造,对该领域的进一步发展做了前瞻性讨论。

发展一种新型可拉伸离电器件的基本研究思路主要包括三个方面(图1)。


微信图片编辑_20230309145625.jpg

图1 可拉伸离电学的基本研究思路

在离子导体中,电信号的传递是通过离子的运动实现的。离子传输机制主要包括四种:diffusion,hopping,Grotthuss mechanism, 和vehicular transport。离子的扩散(diffusion)是离子在浓度梯度、温度梯度或电场作用下发生定向迁移,如图2a所示。任何影响离子扩散的因素都会影响离子电导率。跳跃机制(hopping)指与高分子链上固定电荷形成配位的游离离子,在配位键的断开与形成演化过程中,通过链内或链间的跳跃,实现离子的定向运动,如图2b所示。Grotthuss mechanism指质子或质子缺陷沿着氢键网络的扩散,是生物系统中普遍存在的离子导电机制。Vehicular transport mechanism是溶剂分子包裹着离子一起做定向迁移。在离子导体与电子导体界面处,存在双电层(图2c)。与传统的电子导体相比,可拉伸离子导体的电导率很低,通常不到10 S/m量级,但其具有很高的本征拉伸率(>10),很低的模量(1 kPa量级)和很高的透明度,如图3d所示。


微信图片编辑_20230309145638.jpg

图2 离电器件的基本准则

在探索新型可拉伸离电器件的过程中,难免会遇到以下几个问题:器件的工作原理是什么?离子为什么可以代替电子、又是如何驱动器件运行的? 图3a展示了一种电容式离电压力传感器,由两层离子导体和一层介电弹性体组成;图3d展示了离电式介电弹性体驱动器,由两层离子导体和一层介电弹性体组成;不同的是两层离子导体连接到一个高压电源;图3e展示了一种离子导线由两条离子导体和一层弹性体组成,一端作为输入端连接到外部电源,另一端作为输出端连接到负载Z上。图3f示意了离电式电致发光器件的基本结构;图3g示意了离电式液晶器件的基本结构;图3h示意了一种基于离电式全固态柔性可调谐透镜的基本结构。


微信图片编辑_20230309145650.jpg

图3 几种可拉伸离电器件

可拉伸离电器件由物理化学性质迥异离子导体、介电弹性体和电子导体等材料组成;在器件制造过程中,这些材料的集成是一个不可避免的挑战。图4分别展示了基于手动堆叠、在疏水表面引入“亲水岛”,诱导高表面能的离子导体前驱液选择性地浸润、延时集成的浸涂制造工艺和基于墨水直写的3D打印制造技术。基于数字光处理的3D打印技术具有更高的打印精度,在复杂结构的设计与制造方面更具有优势,同时也兼容多材料打印,是离电器件的理想制造工艺,但仍有待进一步研究。


微信图片编辑_20230309145703.jpg

图4 几种可拉伸离电器件的制造工艺

Applied Physics Letters于1962年创刊,刊载应用物理学,包括光学、声学、流体、等离子体及放电、力学与热性质、半导体、超导体等领域的最新发展和研究成果。

论文链接:

https://doi.org/10.1063/5.0133912 

https://www.nature.com/articles/s41578-018-0018-7 

 

供稿;力学与航空航天工程系

通讯员:史露静

编辑:朱增光


推荐阅读
FOLLOW US @SOCIAL MEDIA
关注社交媒体上的我们
  • 南方科技大学微信

  • 南方科技大学视频号

  • 南方科技大学抖音号

  • 南方科技大学快手号

  • 南方科技大学头条号

  • 南方科技大学南方+