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  近年來，兼具高彈性、高強(qiáng)度、高韌性與優(yōu)異離子導(dǎo)電性的材料在可穿戴設(shè)備和拉伸電池領(lǐng)域備受期待。然而，要同時實(shí)現(xiàn)這些性能的材料設(shè)計(jì)仍面臨巨大挑戰(zhàn)。巴黎高等物理化工學(xué)院（ESPCI Paris） Costantino Creton教授團(tuán)隊(duì)在Nature Communications上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究，提出了一種基于多網(wǎng)絡(luò)彈性體（MNE）架構(gòu)的新型離子導(dǎo)電彈性體（ICEs）。這一設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械性能（高剛度、可逆彈性、斷裂抗性）與離子導(dǎo)電性的完美結(jié)合，為柔性電子設(shè)備和儲能材料開辟了新的可能性。

研究背景與方法

  為解決傳統(tǒng)離子導(dǎo)電彈性體（ICEs）在機(jī)械性能與離子導(dǎo)電性之間的權(quán)衡問題，作者提出了一種全新的多網(wǎng)絡(luò)彈性體（MNE）設(shè)計(jì)策略。通過引入低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（T_g）的MEA單體、高T_g的IBA單體，以及鋰鹽LiTFSI，結(jié)合預(yù)拉伸網(wǎng)絡(luò)和犧牲鍵的架構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了性能的多重提升。

• 首先，通過紫外光聚合法合成了密集交聯(lián)的填充網(wǎng)絡(luò)（FNs），并引入鋰鹽提升導(dǎo)電性。
• 隨后，填充網(wǎng)絡(luò)被浸泡在包含MEA單體、鋰鹽和交聯(lián)劑的前體溶液中，并在手套箱中平衡溶脹。
• 最終，通過紫外光聚合完成了預(yù)拉伸多網(wǎng)絡(luò)ICEs的制備。

圖1：含不同預(yù)拉伸水平的ICEs的合成示意圖

• 性能分析：MNE架構(gòu)下的ICEs不僅表現(xiàn)出顯著更高的斷裂能和剛度，還同時實(shí)現(xiàn)了更高的離子導(dǎo)電性。
• 對比分析：與現(xiàn)有文獻(xiàn)中報(bào)道的材料相比，本文提出的ICEs成功打破了導(dǎo)電性與機(jī)械性能之間的傳統(tǒng)權(quán)衡問題。

圖2：基于簡單網(wǎng)絡(luò)和預(yù)拉伸網(wǎng)絡(luò)的ICEs性能對比

• 離子電導(dǎo)率與溫度關(guān)系：材料遵循Vogel–Fulcher–Tammann (VFT)模型，離子電導(dǎo)率隨著溫度升高而顯著增加。
• 強(qiáng)度與導(dǎo)電性協(xié)同優(yōu)化：即使在高溫條件下，ICEs仍保持了一定的機(jī)械性能，同時展現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)電性。

圖3：溫度對離子電導(dǎo)率與力學(xué)性能的影響及協(xié)同優(yōu)化

總結(jié)

  該研究開發(fā)了一種基于多網(wǎng)絡(luò)彈性體（MNE）架構(gòu)的離子導(dǎo)電彈性體，通過低T_g單體MEA、高T_g單體IBA和鋰鹽LiTFSI的結(jié)合，驗(yàn)證了該方法在低T_g單體中的應(yīng)用。材料在實(shí)現(xiàn)高楊氏模量、強(qiáng)度和韌性的同時，展現(xiàn)出良好的離子導(dǎo)電性（~10^-6 S/cm）和抗疲勞性能，適合應(yīng)用于可穿戴設(shè)備和生物電子設(shè)備。

  本文由巴黎高等物理化工學(xué)院（ESPCI Paris）SIMM實(shí)驗(yàn)室的博士后布熱比·依明擔(dān)任第一作者，其導(dǎo)師Costantino Creton教授為通訊作者。布熱比·依明博士多年以來專注于離子導(dǎo)電材料的研發(fā)，包括離子導(dǎo)電彈性體和離子液體凝膠，并在高分子材料領(lǐng)域積累了豐富的研究經(jīng)驗(yàn)。

  Costantino Creton教授是高分子力學(xué)領(lǐng)域的國際知名學(xué)者，現(xiàn)任ESPCI Paris的研究副校長，同時是SIMM實(shí)驗(yàn)室的核心成員。他的研究涵蓋聚合物材料的粘附、斷裂與變形機(jī)制，領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)多次發(fā)表高影響力學(xué)術(shù)成果，為該領(lǐng)域的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究做出了卓越貢獻(xiàn)。

  此外，合作團(tuán)隊(duì)中的Armelle Ringuede教授是Chimie Paris Tech的一位資深科學(xué)家，專注于電化學(xué)基礎(chǔ)研究，尤其是在功能性材料的電化學(xué)行為研究中擁有深厚的學(xué)術(shù)造詣。

• Chimie ParisTech的博士后、電化學(xué)方向博士Simon Hubert
• SIMM實(shí)驗(yàn)室的博士后、有機(jī)化學(xué)博士Alex Cartier
• SIMM實(shí)驗(yàn)室的工程師Bruno Bresson

  原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55472-8