北京納米能源所王中林院士、蒲雄研究員/北大口腔醫院李崢Nano Energy：仿生多梯度結構的d₃₃離子壓電水凝膠

機械能-電能轉換（機電轉換）技術在智能傳感器、能量收集、可穿戴電子、生物醫學電子等領域有重要應用。儘管許多先進的機電轉換機制如電磁感應、壓電效應、撓曲電效應和摩擦電效應等，取得了顯著的研究進展。但隨着人機交互界面和可植入式電子技術的快速發展，越來越多的研究者開始轉而探索利用柔軟和生物相容的離子型材料來替代上述機電轉換機制。

離子壓電效應是聚合物電解質中陽、陰離子在梯度變形的誘導下產生離子極化，從而產生高離子電流。這種新型發電機制在生物相關應用中具有良好前景，因爲它的產生過程與生理電類似；同時，柔性離子壓電材料在功能和性能上都具有良好的可設計性。然而，目前報道的離子壓電器件主要基於感應電場方向與施加力方向垂直的 d31模式（如圖1c），限制了器件的可設計性和應用場景。此外，較低的電輸出也阻礙了離子壓電器件的實際應用。其內在原因是，儘管電解質材料體相中離子濃度較高，但在電極界面處變形引起的不平衡離子所佔的比例較低，而且與傳統介電材料中固定的極化電荷不同，極化離子一般是可自由移動的。由於離子壓電器件的研究尚處於起步階段，迫切需要普適性策略和精細的材料設計來豐富器件模式和提高電輸出。

近期，北京納米能源所王中林院士&蒲雄研究員團隊與北大口腔醫院李崢副主任醫師聯合報道了一種軟骨仿生的多梯度水凝膠來增強d33模式下的離子壓電效應。受關節軟骨的機械-離子電轉化啓發，設計了具有多梯度結構的 d33離子壓電水凝膠，並將電輸出提高了一個數量級以上。具體而言，通過設計幾何梯度和模量梯度來放大由變形引起的對流離子電，再引入電荷梯度來擴大陰、陽離子的遷移速率差異。綜合三種梯度結構的協同作用，多梯度離子壓電水凝膠在均勻壓縮下的電輸出顯著提高，d33係數達到27.9 μC N-1。進一步製備了離子壓電水凝膠陣列，實現了離子電刺激促進傷口修復的應用。我們提出了增強離子壓電效應的普適性策略和實用的材料工程方法，這將極大地促進其未來在相關領域的應用。該研究工作以題爲“A d33 piezoionic hydrogel with bioinspired multi-gradient structure for enhanced mechano-iontronic transduction”發表在國際頂級學術期刊Nano Energy上（IF=16.8）。論文共同第一作者是李隆偉博士和博士生邵陽市，通訊作者爲李崢副主任醫師、王中林院士和蒲雄研究員。該研究得到國家自然科學基金、中國科學院、中央高校基本業務經費和口腔疾病研究國家重點實驗室開放課題的支持。

圖1軟骨仿生的多梯度水凝膠增強d33模式離子壓電效應

圖2 幾何與模量梯度結構增強離子壓電效應

圖3多梯度增強的離子壓電效應

圖4 通過3D打印技術製備離子壓電水凝膠陣列

圖5 離子壓電器件產生電刺激促進傷口修復

該工作是蒲雄團隊關於機械-離子電效應相關研究的最新進展之一，該團隊前期首次報道了基於離子摩擦電效應的機電能量轉換技術，實現了百伏級的電學輸出（ Sci Adv2017, 3, e1700015），已被引用1100餘次；報道了仿生離子電感受器，實現了非接觸的接近覺傳感，開拓了現有的物理接觸電子皮膚的感知模式（ Sci Adv2022, 8, eabo5201）；近期，團隊進一步報道了一種非對稱界面結構的離子壓電水凝膠發電機（ Nat Commun2024,15, 1494），實現了高電流輸出、低內阻、高轉移電荷量；並提出了基於水凝膠材料的撓曲離子電極化新機制，實現了創紀錄的撓曲電係數（ Adv. Mater.2024, 36, 2403830）。

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110477

來源：高分子科學前沿

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