南科大新型導電離子凝膠，可在不犧牲3D打印性和機械性能的情況下實現高導電性
2025年1月12日，南方科技大學機械與能源工程系葛奇教授領導的科研團隊成功研發出一種具有雙連續納米結構的紫外固化離子凝膠，可在不犧牲3D打印性和機械性能的情況下實現高導電性。這一突破性的研究成果已發表于國際知名期刊《自然通訊》。
在3D打印技術領域，開發具有優異導電性能的材料一直是一個關鍵挑戰。南科大團隊提出一種光聚合誘導微相分離策略來制備雙連續離子凝膠。這些離子凝膠由導電納米通道和交聯聚合物骨架交織而成。雙連續結構為離子傳輸提供了有序、連續的通道。這種方法賦予離子凝膠高導電性，同時又不犧牲可打印性和機械性能。所開發的離子凝膠表現出高離子電導率（超過3 S·m-1）、高拉伸率（超過1500%）、低滯后度（50%應變時為0.4%）和寬溫度范圍的熱穩定性（-72~250 ℃）。
雙連續納米結構離子凝膠實現高性能3D打印電容傳感器
由于低粘度和高光反應性，雙連續納米結構離子凝膠非常適合用于DLP 3D打印，能夠以高分辨率打印出高度復雜的幾何形狀。此外，含有離子凝膠的3D打印結構在寬溫度范圍內表現出卓越的變形能力和導電性。如下圖g和h所示，3D打印的八重桁架結構在100℃和-30℃的極端溫度條件下，均展現出了顯著的可變形性。同時，八重桁架結構的導電性在這些溫度條件下依然保持穩定。
雙連續納米結構離子凝膠的高可打印性不僅允許制造復雜的幾何形狀，而且可以用于進一步提升EDL電容傳感器的電容性能。通過改變CSN離子凝膠層與金屬基電極之間的接觸過程，研究人員為EDL電容傳感器打印出了具有梯度高度的半球形結構，顯著增強了傳感器的靈敏度，并拓寬了壓力響應的線性范圍。
采用3D打印技術制造的EDL電容式傳感器，具備高靈敏度、高線性度、快速動態響應、出色的循環穩定性和寬工作溫度范圍等優異的傳感性能。將這些傳感器集成到機器人夾持器中，可在-30℃至150℃的寬溫度范圍內有效感應抓取信號，并在抓取不同物體時，收集到各種獨特的信號組合。此外，研究人員還制作了一個由4×4個打印傳感器組成的陣列，用于實時高分辨率的壓力映射。
這些特性使得新型離子凝膠非常適合用于高性能的3D打印電容傳感器。該研究不僅為3D打印傳感器的制造提供了新的材料選擇，也為其它需要高導電性與機械穩定性的應用開辟了新的可能性。
本研究的第一作者為南方科技大學機械與能源工程系博士生何向南，通訊作者為葛奇教授。
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