复合离子凝胶构筑各向异性、低频压力传感器

来源：X一MOL资讯

随着可穿戴电子器件、软体机器人等领域的蓬勃发展，对于高性能柔性功能材料体系的需求日趋迫切。目前，如压电、摩擦发电、电磁感应以及静电传感等诸多策略被用于设计/开发能够实现机械能到电能高效转换的材料体系。基于可穿戴功能器件对材质兼具柔韧性、便携性以及可拉伸性能的需求，使得压电纳米材料复合离子导电凝胶形成的软物质体系成为构建柔性功能器件的理想组合。

近日，意大利米兰大学Paolo Milani、Tommaso Santaniello等研究者在交联凝胶体系中引入导电离子液体以及表面改性钛酸钡（BaTiO3）铁电纳米颗粒，成功构筑了具有各向异性电气响应的新型低频压力传感器。该新型传感器在低频（0.1-1 Hz）、5 kPa触压应力作用下，展现出优异的压电效应；器件在各向异性压力作用下最大输出电压达8 mV 。

BaTiO3纳米粒子的表面改性。图片来源：ACS Macro Lett.

研究人员采用一步自由基UV光交联反应结合简单的模压过程，构筑离子凝胶/纳米BaTiO3复合体系（IG/BAT-Nc）。复合体系中聚合物基体为增韧性聚乙烯吡咯烷酮（PVP, 40000 Mw）与亲水性无规聚羟乙基甲基丙烯酸酯-co-丙烯腈（poly-(HEMA-co-AN)）构成的互穿网络体系（IPN）；导电离子液体为水溶性1-(2-羟乙基)-3-甲基四氟化硼咪唑盐（HoEMIMBF4）；BaTiO3纳米粒子表面经3,4-二羟基苯基丙酸（HCA）亲水改性。该复合软物质体系呈现类橡胶体的弹性特性，赋予其优异的准静态低频刺激响应性。

IG/BAT-Nc结构组成及其低频刺激响应示意图。图片来源：ACS Macro Lett.

压力刺激响应测试显示：该IG/BAT-Nc在0.5 N（<5 kPa）压力刺激下能够产生8 mV的稳定电压输出。该感知压力值近似于人体手指运动所产生压力属低压范围，因此该传感器件在检测血压变化等生理监测方面具有极大的应用价值。此外，基于BaTiO3引入带来的各向同性压电效应和各向异性铁电效应，赋予IG/BAT-Nc体系压力刺激各向异性响应性。

IG/BAT-Nc压力刺激响应性测试。图片来源：ACS Macro Lett.

同时，长期储存及20000余次（持续超过15 h）循环测试表明该软体压力传感器件具有优异的电机械性能稳定性。进一步与具有纳米结构单片Au电极集成，在10 kPa压力刺激下器件输出电压可提升至40 mV，器件的机械能-电能（机电）转换效率显著提高。

与纳米Au电极集成提升IG/BAT-Nc器件机电转换效率。图片来源：ACS Macro Lett.

总结

该论文通过在聚合物互穿网络结构中引入导电离子液体以及BaTiO3功能纳米粒子，简便构筑了具有各向异性低频压力刺激响应性的新型传感器件。该离子液体/无机纳米颗粒复合软物质体系在构筑软体机器人、可穿戴电子器件等领域极具应用潜力。

Soft Piezoionic/Piezoelectric Nanocomposites Based on Ionogel/BaTiO3 Nanoparticles for Low Frequency and Directional Discriminative Pressure Sensing

ACS Macro Lett., 2019, 8, 414-420, DOI: 10.1021/acsmacrolett.8b01011