由于優(yōu)異的離子導電性、可拉伸性和熱穩定性，離子凝膠成為構建離電器件的理想材料。通過(guò)合理的結構設計能夠顯著(zhù)的提高器件的傳感性能。然而，目前離子凝膠結構的加工主要依賴(lài)于模板法，這一過(guò)程繁瑣耗時(shí)，限制了結構的幾何復雜性。相比之下，基于數字光處理（digital light processing，DLP）的3D打印技術(shù)能夠實(shí)現復雜三維結構的快速成型，因此在制造高精度的離子凝膠微結構方面具有很大的優(yōu)勢。盡管如此，目前開(kāi)發(fā)的光固化離子凝膠在同時(shí)獲得優(yōu)異的機械性能和高電導率方面仍面臨挑戰。

針對這一問(wèn)題，南方科技大學(xué)機械與能源工程系葛锜教授開(kāi)發(fā)了一種高電導率、大變形的光固化離子凝膠。通過(guò)光聚合誘導的微相分離策略，離子凝膠內部形成了導電納米通道和交聯(lián)聚合物骨架交錯分布的雙連續相納米結構，在不犧牲材料力學(xué)性能的前提下，將離子凝膠的電導率提高到了3.2 S/m。

相關(guān)成果以“Highly Conductive and Stretchable Nanostructured Ionogels for 3D Printing Capacitive Sensors with Superior Performance"為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上，南方科技大學(xué)機械與能源工程系博士研究生何向楠為第一作者，葛锜教授為通訊作者，南方科技大學(xué)為論文第一單位。

研究團隊開(kāi)發(fā)了一種具有雙連續納米結構的光固化離子凝膠，在離子傳輸通道和剛性聚合物嵌段的協(xié)同作用下，離子凝膠可同時(shí)實(shí)現高離子電導率與高機械性能（圖1）。離子凝膠表現出優(yōu)異的導電性（> 3 S/m）、高透明性（可見(jiàn)光區域透過(guò)率> 90%）和良好的拉伸性（> 1000%），且遲滯度低（50%應變時(shí)遲滯度為0.4%），同時(shí)具有良好的熱穩定性（-72 ~ 250℃）。

離子凝膠前驅體溶液粘度低、光固化速度快，能夠很好的適配光固化3D打印系統。研究團隊采用摩方精密nanoArch®S130（精度：2 μm）3D打印設備，可以打印出寬度為5 μm的高精度線(xiàn)條，以及特征尺寸為50 μm的復雜三維Gyroid結構，并利用摩方精密microArch®S240（精度：10 μm）3D打印設備打印了大尺寸的Octet truss結構。因為離子凝膠的在寬溫度范圍內具有良好的穩定性，所以3D打印的離子凝膠結構在高溫和低溫環(huán)境下都能保持良好的導電性和拉伸性（圖2）。

通過(guò)有限元模擬，研究團隊發(fā)現梯度結構可以提高離子凝膠結構的可壓縮性，利用摩方精密microArch®S240（精度：10 μm）3D打印設備打印了高精度的梯度半球結構，能夠顯著(zhù)增加電極與離子凝膠結構之間的接觸面積，可以改善離子電容傳感器的靈敏度和線(xiàn)性度（圖3）。3D打印離子電容傳感器響應時(shí)間短，具有良好的機械耐久性，在長(cháng)期或循環(huán)使用中能夠保證穩定的信號輸出。

3D打印離子傳感器具有良好的靈敏度和穩定性，在高溫和低溫環(huán)境下都具有良好的傳感性能，將其集成到機械手上，可以在-30°C到150°C的寬溫度范圍內監測機械手抓取物體過(guò)程中的信號變化。由3D打印離子傳感器組成的4 × 4傳感陣列可精確識別物體的放置方位及物體與傳感器之間的接觸形狀，具有良好的空間分辨率，能夠應用于多種傳感場(chǎng)景（圖4）。