离子凝胶为柔性电子器件提供了创新的应用与未来前景，涵盖可穿戴电子器件、软机器人和智能系统等领域。用于柔性电子器件的离子凝胶受压力、温度、湿度和溶剂等因素影响时需要保持良好的导电性、结构稳定性、加工兼容性和灵敏度。尽管柔性传感器器件的微型化、集成化和无线操作等特点提高了其灵敏度，增加了器件的选择性、舒适性和便利性，但也带来了制造方面的挑战。因此，当前离子凝胶传感器面临的关键问题是开发性能优异的离子凝胶，明晰离子凝胶传感器的内在传感机制，最终推动微型集成柔性传感器件的创新应用。
近期，中国科学技术大学桂宙教授和朱纪欣教授团队在Advanced Fiber Materials期刊上发表了题为“Unlocking Intrinsic Conductive Dynamics of Ionogel Microneedle Arrays as Wearable Electronics for Intelligent Fire Safety”的研究成果。该研究详细报道了一系列高性能离子凝胶材料，利用密度泛函理论计算、分子动力学模拟，以及原位温度依赖光谱技术揭示其内在传感机制。此外，研究团队还制备了一系列可定制结构的仿生微针离子凝胶器件。基于这些成果，他们还开发了实时智能监测系统，通过物联网、短程无线通信和智能移动应用技术的集成，实现了智慧消防安全双效预警。中国科学技术大学郑亚鹏博士研究生为本文的第一作者，桂宙教授与朱纪欣教授为共同通信作者。
图1为离子凝胶的结构和形态，其分子结构包含多种动态键，尤其是氢键和离子键，这些非共价相互作用形成自发变化和可逆过程，在可穿戴电子器件中显示出非凡的应用潜力。研究团队通过紫外线（UV）固化技术进行原位光聚合反应，成功制备了一系列具有优异机械性能的离子凝胶，包括高拉伸性（伸长率约为794%）、高耐压性（变形率约为90%）、高机械强度（拉伸强度和压缩强度分别为约2.0 MPa和约16.3 MPa）以及出色的透明度（透光率> 91.1%）。此外，研究团队选择了具有代表性的溶剂进行溶胀试验，评估并证实了离子凝胶在不同环境条件下的耐受性。
图1 离子凝胶的结构和形态
图2 离子凝胶的机械和电学性能表征
研究团队通过微电子印刷技术在银电极上实现离子凝胶的印刷，制备了微型柔性电子器件。离子凝胶器件的电阻变化受温度范围影响，随着温度的升高，柔性器件的电阻显著降低。在30℃ ~ 45℃的温度范围内，离子凝胶器件的热敏系数（Tcr = -2.074%，R² = 0.993）较高；经历连续循环多次升降温后，其电阻变化基本保持一致，表明其具备优异的温度传感稳定性。
图3 离子凝胶的机械和电学性能表征
受微针贴片技术的启发，研究团队结合数字光处理（DLP）3D打印、模具铸造和原位光固化技术（图4a），开发出一系列可定制结构的离子凝胶器件，如微圆柱形、微半球形、微球形和微金字塔形的微针阵列结构，结合有限元分布模拟证实了热行为和机械稳定性（图4b ~ 4i）。通过将数字电极与仿生微针结构离子凝胶相结合，制备出灵活的柔性传感系统。
为了验证柔性传感系统在实际应用中的可行性，研究团队开发了基于可穿戴安全器件的实时智能监控系统，可实现实时信号采集、处理和温度传输，并通过物联网、短程无线通信和智能移动应用技术的集成进行无线监测。如图4j ~ 4p所示，该系统能够实时无线探测和监测外部环境或人类活动产生的热刺激。无线可穿戴监测系统包括：信号采集模块、控制电路模块、中央处理器即单片机、无线蓝牙传输模块以及智能手机APP实时接收模块。系统获取安全装置电阻的变化并转换为输出电压信号，传送到微控制器；微处理器处理收集到的信号，并通过蓝牙模块传输；蓝牙接收器将传感器的数字信号转换成数据，通过智能手机APP实时分析和显示。研究团队成功展示出该系统在实际应用中的可行性（图4），包括实时监测外部火焰接触点温度，以及在不同状态（正常、预警、报警状态）下智能视听双效警报系统的效果。
图4 实时智能安全监控系统
综上所述，本工作采用简便通用的方法制备了一系列离子凝胶材料，具有高透明度、优异的机械和电气性能、出色的电化学稳定性、环境耐受性以及良好的应变和温度传感能力。此外，研究团队展示了微针阵列结构离子凝胶器件可应用于定制化可穿戴安全热敏器件的潜力，并开发了实时智能监控系统用于智慧消防安全预警和温度指示。
论文链接：
https://doi.org/10.1007/s42765-023-00344-x
延伸阅读：
《给药应用的微针专利态势分析-2020版》
《水凝胶技术及市场-2022版》
《柔性混合电子（FHE）技术及市场-2023版》
