南方科技大学の葛奇教授チーム：高導電性、大変形、光硬化性3Dプリントイオンゲル

出典: PuSL High Precision

イオンゲルは、優れたイオン伝導性、伸縮性、熱安定性を備えているため、イオン性デバイスの構築に理想的な材料です。合理的な構造設計により、デバイスのセンシング性能を大幅に向上できます。しかし、イオンゲル構造の処理は現在、主にテンプレート法に依存しており、これは面倒で時間がかかり、構造の幾何学的複雑さを制限します。対照的に、デジタル光処理（DLP）に基づく 3D 印刷技術は、複雑な 3 次元構造の迅速なプロトタイピングを実現できるため、高精度のイオンゲル微細構造の製造に大きな利点があります。しかしながら、現在開発されている光硬化性イオンゲルは、優れた機械的特性と高い電気伝導性を同時に実現するという課題に依然として直面しています。

この問題を解決するために、南方科技大学機械エネルギー工学部の葛奇教授は、高い導電性と大きな変形を備えた光硬化性イオンゲルを開発しました。光重合誘起ミクロ相分離戦略により、導電性ナノチャネルと架橋ポリマー骨格が交互に配置された二重連続相ナノ構造がイオンゲル内部に形成され、材料の機械的特性を犠牲にすることなく、イオンゲルの電気伝導率が 3.2 S/m まで向上しました。

関連結果は、学術誌「ネイチャー・コミュニケーションズ」に「優れた性能を持つ3Dプリント静電容量センサー向け高導電性・伸縮性ナノ構造イオノゲル」というタイトルで掲載された。南方科技大学機械エネルギー工学部の博士課程学生である何翔南氏が筆頭著者、葛斉教授が責任著者、南方科技大学が論文の第一ユニットである。

研究チームは、二重連続ナノ構造を持つ光硬化性イオンゲルを開発しました。イオン輸送チャネルと剛性ポリマーブロックの相乗効果により、イオンゲルは高いイオン伝導性と高い機械的特性を同時に実現できます（図1）。イオンゲルは、優れた導電性（> 3 S/m）、高い透明性（可視光領域での透過率> 90%）、良好な伸縮性（> 1000%）、低いヒステリシス（50%ひずみで0.4%）、および良好な熱安定性（-72〜250℃）を示します。

図1. イオンゲルの調製と二重連続相ナノ構造の特性評価

イオンゲル前駆体溶液は粘度が低く、光硬化速度が速いため、光硬化 3D 印刷システムに適しています。研究チームは、BMFの高精度nanoArch® S130（精度：2μm）3D印刷装置を使用して、幅5μmの高精度ラインと、特徴サイズ50μmの複雑な3次元ジャイロイド構造を印刷しました。また、BMFの高精度microArch® S240（精度：10μm）3D印刷装置を使用して、大規模なオクテットトラス構造を印刷しました。イオンゲルは広い温度範囲にわたって優れた安定性を備えているため、3D プリントされたイオンゲル構造は、高温環境と低温環境の両方で優れた導電性と伸縮性を維持できます (図 2)。

図2.イオンゲルの3Dプリント有限要素シミュレーションを通じて、研究チームは、勾配構造がイオンゲル構造の圧縮性を向上させることができることを発見しました。MMF精密microArch®S240（精度：10μm）3Dプリント装置を使用して、高精度の勾配半球構造を印刷しました。これにより、電極とイオンゲル構造の接触面積が大幅に増加し、イオン容量センサーの感度と直線性が向上しました（図3）。 3D プリントされたイオン静電容量センサーは、応答時間が短く、機械的耐久性に優れており、長期使用や周期使用でも安定した信号出力を確保できます。

図3. 3Dプリントイオン容量センサーの検知メカニズムと性能

3Dプリントイオンセンサーは感度と安定性に優れ、高温環境と低温環境の両方で優れた感知性能を発揮します。マニピュレーターに組み込むと、-30℃～150℃の広い温度範囲でマニピュレーターが物体を掴んでいる間の信号変化を監視できます。 3Dプリントされたイオンセンサーで構成された4×4センサーアレイは、物体の配置や物体とセンサーの接触形状を正確に識別でき、優れた空間分解能を持ち、さまざまなセンシングシナリオに適用できます（図4）。

図4. 3Dプリントイオンセンサーの応用

オリジナルリンク:
https://doi.org/10.1038/s41467-024-50797-w

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