《Science》之後再發《AM》:粘附材料新體系——離子彈性體結的低壓可逆電粘附!

響應外部刺激,可逆轉換的粘附力已引起廣泛的工業,生物醫學,制造和機器人應用的興趣。在迄今為止開發的方法中,電粘附力提供瞭對靜電吸引力的簡單且可逆的控制在受到電場作用的兩個表面之間。與其他機制相比,電粘附具有一些優勢,例如精確控制粘附力,響應速度快,沒有殘留物,運行安靜以及能耗低。特別是,觸覺和機器人領域已越來越多地采用電膠粘劑,例如,使軟抓手,爬壁機器人,觸摸屏和用於觸摸虛擬物體歸功於它們在可拉伸的電介質,並且具有在小尺寸和輕巧的情況下發揮作用的能力。

但是當前基於電子導體和絕緣介電層的電膠粘劑通常受到對幾千kV范圍內施加高壓的需求的限制,這不僅存在安全隱患,還需要與高壓兼容的專用電路元件,降低工作電壓的一種策略是減小電膠粘劑的電介質層厚度,因為標準的平行板電容器模型表明靜電力與電抗力成反比。介電電膠粘劑以前不可能在幾伏特的范圍內工作,但是代替介電層,帶電的大分子已顯示出在低得多的電勢下可逆粘附的巨大希望。帶有相反電荷的聚陰離子和聚陽離子的離子絡合,可響應外部刺激提供可逆轉換的粘附機制,廣泛用於許多生物系統中。帶有相反電荷的聚電解質之間的絡合物形成使得能夠支撐1.5 MPa的剪切應力的牢固粘附力得以實現,而隨後添加鹽則使兩種聚電解質由於靜電相互作用的篩選而脫離。後來有研究證明瞭通過使用幾伏范圍內的電勢產生離子的濃度梯度來電切換聚陰離子和聚陽離子水凝膠之間的粘附力,但是這些示例僅限於在水中進行操作,到目前為止僅實現瞭兩個附著狀態(附著或分離)。在無液體的條件下在低電壓下實現電粘附仍然是一個巨大的挑戰,並將這種方法擴展到新的應用領域具有巨大的潛力。

《Science》中暗含一篇《AM》

2020年2月14日,美國馬薩諸塞大學Ryan C. Hayward教授和哈佛大學Suo Zhigang院士合作開發出利用離子雙層來矯正和切換離子電流的離子彈性體二極管、晶體管。團隊設計瞭兩種分別帶有陽離子和陰離子的聚電解質網絡,其締合的相反離子可以移動。將主鏈帶有相反離子的彈性體構建成離子雙層(IDL),它能夠在不發生電化學反應的情況下進行整流和“開-關”離子電流。締合的離子移動發生熵驅動損耗會產生離子異質結,其意義可類比PN結。傳統的PN結無法拉伸,而本征可拉伸離子彈性體異質結則為可拉伸離子器件奠定瞭基礎。相關論文以“Ionoelastomer junctions between polymer networks of fixed anions and cations”為題,發表在《Science》上。

《Science》之後再發《AM》:粘附材料新體系——離子彈性體結的低壓可逆電粘附!

近日, 哈佛大學鎖志剛教授和馬薩諸塞大學阿默斯特分校Ryan C. Hayward教授再次聯手在Advanced Materials發表文章, 展示瞭可在≈1V的電勢下基於離子彈性體異質結的新型的電膠粘劑。通過調節IDL兩端的電壓可逆控制兩種離子彈性體之間的附著力。如圖1A所示,在“反向偏壓”下,流動離子被拉離界面區域,導致IDL中積累瞭過多的固定電荷。這些薄的界面層中多餘的固定電荷所產生的電場會引起兩種離子彈性體之間的靜電粘附。在“正向偏壓”下(圖1B),移動陽離子從聚陰離子域進入聚陽離子域,反之亦然。因此,界面表現為電阻性並且兩種離子彈性體之間的靜電粘附力消失瞭。

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本研究使用瞭聚(1-乙基-3-甲基咪唑(3-磺丙基)丙烯酸酯)(ES)和聚(1-[2-丙烯酰氧乙基]-3-丁基咪唑雙(三氟甲烷)磺酰亞胺) (AT) 的交聯網絡展示瞭基於離子彈性體的電粘附。在沒有施加電壓的情況下,使用高度交聯的ES和AT(包含20 mol%的聚(乙二醇)二丙烯酸酯交聯劑)來降低兩種離子彈性體之間的粘附力,並且通過添加氣相二氧化矽顆粒(2.5 wt%)來增強兩種離子彈性體的穩定性。

為瞭表征ES和AT離子彈性體之間的電粘附,本研究使用具有交叉圓柱體幾何形狀的接觸粘附測試(圖2A)。根據Derjagui近似,交叉圓柱體等效於平面上的球面幾何形狀,它將產生明確定義的接觸點,並使氣隙對電粘附的影響最小。所施加的載荷(P)和位移(δ)的測量值(圖2B)為將兩個垂直交叉的圓柱體(半徑r = 10 mm)放在一起,以0.05 mm s-1的恒定速度在ES和AT層之間產生接觸,並保持固定位移30 s進行充電離子彈性體,然後在固定電壓下以0.05 mm s-1的相同速度分離。根據約翰遜·肯德爾·羅伯茨(JKR)模型用於彈性材料之間的膠粘劑接觸計算,可以將峰值分離載荷(Ppeak)轉換為臨界應變能釋放速率(Gc)Ppeak =(3/2)πrGc。圖2C顯示瞭在各種施加電壓下,三個離子彈性體結(即ES / ES和AT / AT同質結以及ES / AT異質結)的Ppeak和Gc值。

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圖2:A)使用交叉圓柱幾何形狀的接觸附著力測試的示意圖。B)在外部偏置下,ES / AT交匯處的典型載荷-位移曲線,其中藍色和紅色數據點分別表示反向和正向偏置。C)三個離子彈性體連接的Ppeak值。

緊接著,ES / AT電膠粘劑的可逆性是通過在±1 V的交流電壓下多次測量Ppeak來測試的。在30個重復循環中,“接通”狀態(−1 V)和觀察到“關閉”狀態(+1 V)為41±4 mN(圖3A)。導通和關斷狀態的Gc對應值分別為2.3和0.9 J m-2。此外,本文進一步測量瞭圖3B中插圖所示的ES和AT剝離的Gc。在0.2 mm s-1的裂紋速度下,兩種離子彈性體在+1 V時容易剝離,從而產生Gc = 82±6 J m-2。相反,在-1 V處,測得的Gc = 220±3 J m-2明顯更高。本文預推測與接觸粘附力測試相比,Gc值更大主要原因是在T型剝離測試過程中受相對較快的裂紋擴展速度的影響。至關重要的是,與常規電膠相比ES和AT層之間的電膠對缺陷的耐受性強得多。

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圖3:A)在±1 V的交流電壓下通過接觸粘附力測試測量的ES / AT異質結峰。藍點表示反向偏置(-1 V),紅點表示正向偏置(+1 V)。B)ES / AT異質結的T剝離測試,用於測量剝離的能量釋放速率(Gc)。

最後,本文演示瞭一種離子彈性體電粘附貼,該貼在+1 V時可承受5 kPa的剪切載荷,如圖4所示。該墊由兩個部分組成:一個包含連接到電源的ES和AT,另一個包含通過導線連接的兩種離子彈性體。通過這種幾何形狀,第二貼可用於保持重量而無需連接到電源。在圖4A的插圖中示出瞭該系統的電路圖。當對離子彈性體電粘附墊施加-1 V電壓(每個粘附墊均包含1 cm2的ES和AT)時它們可以承受100 g的重量,對應於5 kPa的剪切應力。當外部電壓切換至+1 V時,焊盤在約1 s的時間范圍內失去附著力並彼此分離。這些離子彈性體結電膠粘劑對於軟和微機器人應用的設計特別有吸引力,因為無需大型和重型高壓放大器或專門設計的高壓可操作晶體管和邏輯元件即可對其進行控制。在當前實施方式中離子彈性體電粘合劑僅在極性相反的兩種特定材料之間提供增強的粘合性。盡管這種選擇性的互補粘合本身就可以使用(例如,維可牢尼龍搭扣,拉鏈和紐扣),但使用離子彈性體實現低壓粘合到更多其他表面上也很有價值。

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圖4:ES / AT離子彈性電粘附墊,可在-1 V的施加電勢下承受5 kPa的剪切載荷。這些墊由兩個部分組成:一個包含連接到電源的ES和AT層,另一個包含ES和AT層用導線連接。

總結與展望:

總之,這項研究已經證明離子彈性體結提供瞭一種新型的電膠粘劑,可以用低電壓(≈1V)進行控制。在反向偏壓下,對界面離子雙層充電會在兩種離子彈性體之間提供靜電力,而在正向偏壓下,可移動離子會被推入IDL並最終穿過界面,從而破壞電場,從而大大降低粘附力。因此,這項研究的發現為設計電膠粘劑提供瞭一個全新的平臺,該電膠粘劑能夠在低工作電壓下可逆地切換粘合力,並且比傳統的介電電膠粘劑更能承受損壞。這種方法將在許多領域打開新的機遇,例如包括機器人技術,虛擬現實硬件和響應材料。

全文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202000600

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