模擬皮膚的柔性傳感器能夠將多種刺激（應力、壓力等）轉化為電信號，是可穿戴電子器件、人機系統(tǒng)、植入式生物材料和軟體機器人的核心原件。離子皮膚利用離子導電，模擬天然皮膚的功能，可以通過離子導電的可拉伸水凝膠或離子凝膠制備，與電子皮膚相比，在檢測較大的應力時有更高的可靠性。但是制備能夠精確檢測大范圍內的應力或壓力，并且保持長久穩(wěn)定性的離子皮膚絕非易事。通常來說，提高大應力范圍內的靈敏度必然要犧牲機械強度，而低的機械強度使離子皮膚更容易出現缺陷，反過來又不利于長久的穩(wěn)定性。
自愈合材料具有修復機械損傷并恢復功能的能力，如潤濕性、電導率/離子導電性、形狀記憶和抗各種腐蝕等。這種可修復過程大都基于可逆的動態(tài)共價交聯(lián)和超分子相互作用。賦予離子皮膚自修復功能并伴以優(yōu)異的機械性能才能進一步擴展其在現實中的應用。
吉林大學孫俊奇教授團隊近日開發(fā)了一種超耐用的離子皮膚，它不僅有自愈合功能、優(yōu)異的彈性，浸入到聚脲-脲烷（PU）網絡中的離子液體更是賦予材料抗疲勞性能，楊氏模量約為0.42 MPa，接近天然皮膚，在0.1 – 300%應變和0.1 – 20 kPa壓力范圍內都表現出優(yōu)異的靈敏性；并且在經歷10000次不間斷的應變循環(huán)、甚至在普通環(huán)境中保存200天后還能保持原始的檢測性能。由于PU網絡中存在可逆氫鍵和受阻脲鍵（hindered urea bonds；HUBs），斷裂的離子皮膚可以在65 ℃條件下能夠完全愈合，恢復原始的超耐用和可靠的檢測性能。
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離子凝膠的制備
作者首先通過縮合反應制備了含PCL和PEG的線性PU聚合物，然后通過含有三官能度的己二異氰酸酯均聚物化學交聯(lián)PU線性聚合物得到PU網絡。PCL和PEG鏈段不僅通過HUBs交聯(lián)，氨基間的氫鍵也會參與到交聯(lián)過程中。然后將PU網絡浸入離子液體中，成膜干燥后得到離子凝膠，根據離子液體和PU網絡的質量比（分別為1：1和1：2）制備了兩種離子凝膠（PU-IL1和PU-IL2）。
離子凝膠應變傳感器
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PCL和PEG都具備結晶性能，但PEG易溶于離子液體，因此，離子液體的存在會影響PEG的結晶性能，給材料帶來柔性，氨基間的氫鍵可作為物理交聯(lián)點，增強凝膠強度。PU-IL2離子凝膠的抗拉強度、楊氏模量和斷裂應變分別為1.56 MPa，0.42 MPa和327%。由于離子液體含量低，PU-IL1具有較高的拉伸強度和楊氏模量，以及較低的斷裂應變(2.52 MPa, 1.43 MPa和 215%)。并且，PU-IL1 和PU-IL2的導電性都高達1.2 ×10?3S cm?1，在濕度為35–60%，室溫20 – 29 °C 放置 200天 后，PU-IL2離子凝膠的電化學性能幾乎沒用改變。作者制備的離子凝膠不僅能監(jiān)測小型（手指彎曲）和大型（手肘彎曲）的身體運動沒能對腕部脈搏的壓力變化進行監(jiān)測。
離子凝膠的自愈合性能
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由于受阻脲鍵和氫鍵的動態(tài)特性，PU-IL2能夠完全修復物理損壞，65 ℃處理2 h后，離子凝膠能夠拉伸至原始長度的2.5倍而不發(fā)生任何損壞。處理3 h后，斷裂伸長率和斷裂應變回復至原始值的95%和99%。這主要是由于加熱到65 ℃后，結晶的PCL鏈段融化，并且動態(tài)受阻脲鍵和氫鍵解離，促進了聚合物鏈的運動。斷裂界面的聚合物相互擴散，重新形成HUBs和氫鍵。冷卻到室溫后，PCL鏈重結晶，恢復強度和機械性能。
作者結合離子液體和PU網絡，彌補了人工皮膚和天然皮膚之間的差距，相信這種超耐用離子皮膚的設計可以擴展到制造各種高靈敏度、可靠和耐用的設備。
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