マルチマテリアル 3D プリントによるマルチモーダルセンシング機能を備えた高分子電解質エラストマーイオン電子センサー

著者: Caicong Li、Jianxiang Cheng、Yunfeng He、Xiangnan He、Ziyi Xu、Qi Ge、Canhui Yang
所属：サザン科学技術大学掲載誌：Nature Communications

本論文では、マルチマテリアルデジタル光硬化 3D 印刷技術を使用して、引張、圧縮、せん断、ねじり、複合センサーなど、ポリ電解質エラストマーに基づく一連のマルチモードセンシングイオン化センサーを設計および準備します。使用する高分子電解質エラストマーは、ポリマーネットワーク内に固定された陰イオンまたは陽イオンと可動な対イオンを含む材料であり、イオンの漏れを防ぐ性質を持っています。 3D プリンティング技術は、デバイスの構造設計に極めて高い柔軟性を提供し、微細な構造プログラミングを通じてセンサーの感度を最適化および調整できます。準備されたセンサーは安定したインターフェースと長期安定性を備え、さまざまな機械的刺激を感知でき、異なる感知経路間で信号のクロストークがありません。この論文では、伸縮性イオンセンサーの設計、インテリジェント製造、および応用のための新しいソリューションを紹介します。

図1 マルチモーダルセンシング機能を備えた高分子電解質エラストマーイオン電子センサーの概略図

研究のハイライト<br /> マルチモーダルセンシング機能: センサーは、張力、圧縮、せん断、ねじれなどのさまざまな機械的刺激を感知できます。

長期安定性: 高分子電解質エラストマーと 3D プリント技術を活用することで、センサーは優れた長期安定性を発揮します。

漏れのない設計: 新しいセンサーは、従来のイオンセンサーの漏れやすい問題を解決し、機器の信頼性を向上させます。

背景イオン電気デバイスは、イオンと電子の相乗効果に基づくデバイスであり、柔軟性、伸縮性、光学的透明性、生体適合性などの利点があり、工学および生物医学分野で広く使用されています。イオン放電センサーは、外部の機械的刺激を感知し、それを電気信号に変換して、人間とコンピューターの相互作用、インテリジェントな人工器官、生理学的モニタリングなどのシナリオで使用できる重要なタイプのイオン放電デバイスです。しかし、既存のイオン化センサーは、デバイス構造が単純で、部品が漏れやすいため、デバイスの安定性と検知機能が悪く、実際の用途が大きく制限されています。したがって、安定した性能とマルチモードセンシング機能を備えたイオン化センサーの設計と製造は、重要なエンジニアリングアプリケーション価値を持っています。

問題は解決しました<br /> 上記の問題を解決するために、本論文では、デジタル光硬化 3D 印刷技術を使用して、マルチモードセンシング機能を備えたイオンコンデンサを製造します。この方法では、高弾性、高イオン伝導性、高熱安定性、イオン漏れに対する耐性を備えた材料である高分子電解質エラストマー (PEE) を使用します。 3D プリンティング技術により、PEE と誘電エラストマー (DE) 間の強力な界面結合と、デバイス構造の柔軟な設計が可能になります。この論文では、伸張、圧縮、せん断、ねじれなどのさまざまな機械的刺激を感知するために使用される 4 つの基本的なイオンコンデンサと、信号の相互干渉を回避しながら複数の機械的刺激を感知するために使用される 3 つの複合イオンコンデンサを設計および製造します。この記事では、伸縮性イオンコンデンサの設計、製造、応用に関する新しいソリューションを提供し、マルチマテリアル 3D 印刷技術の応用範囲も拡大します。

研究のアイデアと結果の議論

1. デバイスの準備と特性評価この論文では、ポリ電解質エラストマー (PEE) と誘電エラストマー (DE) の光硬化性前駆体を使用してイオン電子センサーを印刷しました。センサーは 2 層の PEE と中間の DE 層で構成されています。 PEEはBSとMBAモノマーを共重合したものです。高分子電解質エラストマーは、ポリマーネットワーク内に固定されたアニオンまたはカチオンと可動対イオンを含む材料であり、イオン漏れに抵抗する特性を持っています。 DE は市販のアクリルエラストマーを使用します。センサーの性能は、イオン性モノマーの比率を最適化し、高分子電解質材料の機械的特性と電気的特性とのバランスをとることによって最適化され、BS と MEA のモル比は 1:1 に選択されました。

イオン電子容量センサーは多層スタックであるため、界面剥離を回避するには、DE 層と PEE 層の間に堅牢なインターフェースを確立することが非常に重要です。 3D プリントおよび手動で組み立てられたポリ電解質エラストマー/誘電エラストマー二重層構造の界面接着強度を 180° 剥離テストで比較しました。 3Dプリント構造は、高分子電解質エラストマーと誘電エラストマーの間に形成された共有結合と位相的絡み合いにより、より強力な界面接着を示します。剥離プロセス中に材料自体が破壊され、接着強度は339.3 J/m2と高くなります。対照的に、手作業で組み立てられた構造は界面が弱く、剥離プロセス中に界面破壊が発生し、結合エネルギーはわずか 4.1 J/m2 でした。耐久性テストでは、ポリ電解質エラストマーをベースにした静電容量センサーはイオン漏れがないため、長期間安定した信号を維持できることが示されています。一方、従来の LiTFSI ドープイオンエラストマーセンサーはイオン漏れによる信号ドリフトに悩まされ、最終的には短絡につながります。
図2 高分子電解質エラストマーの製造プロセス図3 3Dプリントイオン電子容量センサーの特性試験
2. マルチモーダルセンシング機能著者らは、マルチマテリアルデジタル光硬化 3D 印刷技術を使用して、張力、圧縮、せん断、ねじれセンサーを含む、ポリ電解質エラストマーに基づくマルチモーダルセンシングイオン化センサーの設計と製造を統合しました。伸縮センサーは線形応答性に優れています。一軸伸縮では、面積が増加し、厚さが減少し、静電容量が増加します。マルチマテリアル3Dプリントは設計と製造の柔軟性が高いため、DE層の微細構造を構築することでセンサーの感度が大幅に向上します。せん断センサーとねじりセンサーの感度も、最前線の形状と重なり合う領域を変更することで調整できます。 3D プリンティング技術は、デバイスの構造設計に極めて高い柔軟性を提供し、微細な構造プログラミングを通じてセンサーの感度を最適化および調整できます。準備されたセンサーは安定したインターフェースと長期安定性を備え、さまざまな機械的刺激を感知でき、異なる感知経路間で信号のクロストークがありません。

図4. 引張、圧縮、せん断、ねじりセンサの性能図5. 統合イオン化センサの設計と性能
研究概要<br /> 本論文では、マルチマテリアルデジタル光硬化 3D 印刷技術を使用して、引張、圧縮、せん断、ねじり、複合センサーなど、ポリ電解質エラストマーに基づく一連のマルチモードセンシングイオン化センサーを設計および準備します。使用する高分子電解質エラストマーは、ポリマーネットワーク内に固定された陰イオンまたは陽イオンと可動な対イオンを含む材料であり、イオンの漏れを防ぐ性質を持っています。 3D プリンティング技術は、デバイスの構造設計に極めて高い柔軟性を提供し、微細な構造プログラミングを通じてセンサーの感度を最適化および調整できます。準備されたセンサーは安定したインターフェースと長期安定性を備え、さまざまな機械的刺激を感知でき、異なる感知経路間で信号のクロストークがありません。この論文では、4 つのせん断センサーと 1 つの圧縮センサーで構成され、ドローンの飛行を遠隔無線制御するためのリモートコントロールシステムに接続されたウェアラブルリモートコントロールユニットについても説明します。この論文では、伸縮性イオンセンサーの設計、インテリジェント製造、および応用のための新しいソリューションを紹介します。

出典: マルチマテリアル 3D プリンティングによるマルチモードセンシング機能を備えたポリ電解質エラストマーベースのイオントロニックセンサー。Nat. Commun.、2023、14、4853。
https://doi.org/10.1038/s41467-023-40583-5

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