基于离子液体微乳液模板构建双连续导电通道异质凝胶及其在离子柔性传感器中的应用

《RSC Advances》：Ionic liquid microemulsion-mediated heterogels with bicontinuous conductive channels for an ionic flexible sensor

本研究针对传统离子柔性传感器存在的溶剂挥发、离子电导率不足等问题，提出了一种离子液体微乳液模板策略，成功构建了具有双连续结构的导电异质凝胶。该凝胶通过亲/疏水双相贯穿网络形成高效离子传输通道，结合界面两性离子的离子传输位点作用，显著提升了材料的机械性能、抗溶胀性和离子电导率。基于该异质凝胶的柔性传感器实现了对微肌肉运动、语音、重量和温度的高灵敏度检测，为柔性传感设备提供了创新设计思路。

　　

随着人机互联信息技术的发展，柔性传感技术作为其核心持续面临革新机遇。与传统电子传感相比，离子传感具有灵敏度高、信号稳定性好、抗电磁干扰强等优势，在个性化医疗、脑机接口和软体机器人等领域展现出广阔前景。然而，现有的离子柔性传感器材料如水凝胶、有机凝胶等易受溶剂挥发问题困扰，而无溶剂离子导电弹性体又常受限于较低的离子电导率。离子液体（Ionic Liquid, IL）因其不挥发性、不可燃性、优异的热稳定性和导电性等特性，成为构建离子凝胶（ionogel）的理想选择，但传统离子凝胶材料仍存在湿度敏感性高、微观结构调控困难等挑战。

在这项发表于《RSC Advances》的研究中，齐鲁师范学院化学与化学工程学院的杨宇团队创新性地利用离子液体微乳液模板策略，制备了具有双连续导电通道的异质凝胶（heterogel）。该研究通过将亲水性离子液体C₂MImTFSI、疏水性单体C12-DMA和两性离子ZC12共组装成双连续微乳液，再经原位光聚合固定微观结构，成功构建了亲/疏水相相互贯穿的三维网络。其中离子液体相形成离子富集通道提供导电性，聚合物相作为支撑骨架，而界面两性离子则作为高效离子传输位点提升离子迁移效率。

关键技术方法包括：通过调控三元组分比例构建双连续微乳液模板；利用原位紫外光聚合固化微观结构；采用扫描电镜（SEM）、小角X射线散射（SAXS）等技术表征微观结构；通过流变学测试、接触角测量、溶胀实验评估材料力学性能和稳定性；采用交流阻抗法测定离子电导率；并通过肌肉运动监测、语音识别、重量感知和温度响应实验验证传感器性能。

3.1. 异质凝胶的制备与结构表征

研究通过调节ZC12含量（20-30 wt%）成功获得热力学稳定的透明双连续微乳液，其中C₁₂30-25样品经光聚合后完美保留了双连续结构。SEM和EDS mapping显示明暗相间的互穿网络，SAXS谱图证实其散射峰保留。核磁共振（NMR）和红外光谱（FT-IR）分析揭示离子液体与两性离子间的静电相互作用促进了离子解离和传输。

3.2. 动态流变学行为和抗溶胀性能

流变测试表明C₁₂30-25具有最优的固体特性（G′ > G″）和机械稳定性。接触角测试显示其疏水性显著提升（105°），在水中和人工汗液中的溶胀率均低于10%，远低于传统离子凝胶（300-500%），有效克服了湿度敏感性问题。

3.3. 热稳定性和离子电导率性能

热重分析（TGA）显示异质凝胶分解温度达300°C，差示扫描量热法（DSC）测得其玻璃化转变温度（T_g）低于-30°C。C₁₂30-25在-20°C至80°C范围内离子电导率最优，且经30次冷热循环和30天长期测试仍保持稳定，归因于双连续结构的三维低曲折度离子传输路径。

3.4. 异质凝胶的传感性能

基于C₁₂30-25的传感器可精准检测皱眉、微笑、眨眼等微肌肉运动（应变<0.1%，GF=34.1），并能识别“Hi”“Hello”等词汇的发音特征。在重量感知方面，传感器在0-20g区间灵敏度达1.935% g^-1；温度传感实验表明其可区分4-60°C的水杯温度，且在0°C和45°C下连续弯曲200次仍保持信号稳定性。

该研究通过微观结构工程成功构建了具有双连续离子通道的异质凝胶，解决了传统离子柔性传感器在导电性、环境稳定性和微观结构调控方面的关键问题。双连续结构不仅提供了高效的离子传输路径，还显著增强了材料的机械性能和抗环境干扰能力。所得传感器在微应变监测、语音识别和热触觉感知方面的优异表现，为健康监测、人机交互等领域提供了创新材料设计范式。这项工作通过离子液体微乳液模板策略实现了材料结构与功能的一体化设计，为高性能柔性电子设备的发展开辟了新方向。