南方科技大学の葛奇教授、ネイチャーコミュニケーションズ:3Dプリントイオンセンサー研究の最新進歩

南方科技大学の葛奇教授、ネイチャーコミュニケーションズ:3Dプリントイオンセンサー研究の最新進歩
出典: 高分子科学の最前線

イオンゲルは、優れた導電性、伸縮性、熱安定性、電気化学的安定性などの優れた特性を備えており、柔軟なイオン性電子デバイスを構築するための非常に魅力的な候補材料です。微細構造を導入することでイオンゲルの圧縮性が向上し、センサーの感度が向上します。デジタル光処理(DLP)に基づく3D印刷技術は、優れた製造精度と低い処理コストを特徴とし、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。高い導電性と優れた機械的特性を持つ光硬化性 3D プリントイオンゲルの開発は、フレキシブルイオン電子デバイスにとって非常に重要ですが、イオンゲルの印刷性と機械的特性を犠牲にすることなく、イオンゲルの導電性を向上させることは困難です。

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斉教授の研究チームは、光誘起ミクロ相分離戦略に基づいて、二重連続ナノ構造を持つイオンゲルを作製しました。これにより、印刷精度と機械的特性を確保しながら、イオンゲルの導電性が大幅に向上し、3D印刷技術を通じて高性能のイオンコンデンサセンサーを作製しました。研究結果は「優れた性能を持つ3Dプリント静電容量センサーのための高導電性で伸縮性のあるナノ構造イオノゲル」というタイトルでネイチャーコミュニケーションズ誌に掲載された。南方科技大学の博士課程学生である何翔南氏が論文の筆頭著者であり、南方科技大学の葛奇教授が論文の責任著者である。

研究チームは、DLP高解像度3Dプリントと互換性のある、高導電性で伸縮性のあるナノ構造イオンゲル(CSNイオンゲル)を開発しました。システム内のベンジルアクリレート(BA)とポリエチレングリコールメチルエーテルメタクリレート(PEGMA)の含有量が一定の比率に達すると、光重合後にイオンゲル内に相互浸透したBAとPEGMAナノドメインの二連続構造が形成され、イオン輸送のための秩序立った連続チャネルを提供できます。イオン液体はPEGMA相の-CH2-O-CH2-鎖セグメントに沿って移動することができ、図1に示すように、イオン液体の含有量を増やすことなく、イオンゲルの導電性を大幅に向上させることができます。

図1. CSNイオンゲルの調製と共連続相ナノ構造の特性評価 研究チームは、イオン液体と架橋剤の含有量がCSNイオンゲルの電気的、機械的、熱力学的特性に与える影響を調査しました。 図2に示すように、CSNイオンゲルは優れた導電性(> 3 S·m-1)、良好な伸縮性(> 1000%)、低いヒステリシス(50%ひずみで0.4%のヒステリシス)、および優れた熱安定性(-72〜250℃)を示します。

図2. CSNイオンゲルの電気的、機械的、熱力学的特性
CSNイオンゲル前駆体溶液は、優れた光レオロジー特性を示し、5μmの高精度印刷を実現できるDLP 3D印刷システムと互換性があり、さまざまな複雑な微細構造を迅速に構築できます。3D印刷されたCSNイオンゲル構造は、図3に示すように、高温および低温環境下でも優れた導電性と伸縮性を維持できます。

図3. CSNイオンゲル3Dプリンティング研究チームは、有限要素シミュレーションを通じてさまざまな微細構造の圧縮性と変形能力を分析し、高さの勾配がある半球形構造を設計してイオンゲル構造の圧縮性を向上させました。この構造を使用して電気二重層(EDL)容量センサーを準備し、図4に示すように、1〜12kPaの範囲で良好な直線性と高い感度(15.1kPa-1)を示しました。

図4. CSNイオンゲルに基づくEDL静電容量センサー 研究チームは、3Dプリントされたイオン静電容量センサーの感知性能を調査しました。図5に示すように、センサーは刺激に素早く反応し(約20ミリ秒)、緩和時間が短く、サイクルの始めと終わりの静電容量信号は基本的に一貫しており、明らかな変動やドリフトはなく、機械的耐久性も良好です。このセンサーは、深呼吸や嚥下時の喉の信号変化を正確に監視できるだけでなく、人体の脈拍信号も正確に監視できるため、医療健康モニタリングや臨床診断に大きな応用可能性を秘めています。

図5. 3Dプリントイオンセンサーの検知性能
3Dプリントされたイオンセンサーは、ウェアラブル圧力センサーとして使用して人間の生理学的信号をリアルタイムで監視できるだけでなく、ロボットに統合して、センサーの静電容量信号の変化に応じてロボットの把持プロセスを監視できるため、非常に広い動作温度範囲内でロボットに認識機能を提供します。高解像度のフレキシブル センサー アレイを設計して準備し、圧力の分布場所と大きさを正確に識別できるようになりました。センサー アレイを統合した手袋を着用して物体をつかむと、各センサー ユニットが迅速に反応し、センサー アレイは対応する圧力分布をマッピングできます。

図 6. 3D プリント イオン センサーの応用 この研究は、中国国家自然科学基金、広東省珠江人材計画、深セン市ソフトマター力学およびインテリジェント製造重点研究室によって資金提供されました。



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