響應(yīng)外部刺激，可逆轉(zhuǎn)換的粘附力已引起廣泛的工業(yè)，生物醫(yī)學(xué)，制造和機(jī)器人應(yīng)用的興趣。在迄今為止開發(fā)的方法中，電粘附力提供了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(jī)制相比，電粘附具有一些優(yōu)勢，例如精確控制粘附力，響應(yīng)速度快，沒有殘留物，運行安靜以及能耗低。特別是，觸覺和機(jī)器人領(lǐng)域已越來越多地采用電膠粘劑，例如，使軟抓手，爬壁機(jī)器人，觸摸屏和用于觸摸虛擬物體歸功于它們在可拉伸的電介質(zhì)，并且具有在小尺寸和輕巧的情況下發(fā)揮作用的能力。
但是當(dāng)前基于電子導(dǎo)體和絕緣介電層的電膠粘劑通常受到對幾千kV范圍內(nèi)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(zhì)層厚度，因為標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)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(luò)合，可響應(yīng)外部刺激提供可逆轉(zhuǎn)換的粘附機(jī)制，廣泛用于許多生物系統(tǒng)中。帶有相反電荷的聚電解質(zhì)之間的絡(luò)合物形成使得能夠支撐1.5 MPa的剪切應(yīng)力的牢固粘附力得以實現(xiàn)，而隨后添加鹽則使兩種聚電解質(zhì)由于靜電相互作用的篩選而脫離。后來有研究證明了通過使用幾伏范圍內(nèi)的電勢產(chǎn)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，但是這些示例僅限于在水中進(jìn)行操作，到目前為止僅實現(xiàn)了兩個附著狀態(tài)（附著或分離）。在無液體的條件下在低電壓下實現(xiàn)電粘附仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，并將這種方法擴(kuò)展到新的應(yīng)用領(lǐng)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(xué)Ryan C. Hayward教授和哈佛大學(xué)Suo Zhigang院士合作開發(fā)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(tuán)隊設(shè)計了兩種分別帶有陽離子和陰離子的聚電解質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，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(gòu)建成離子雙層（IDL），它能夠在不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的情況下進(jìn)行整流和“開-關(guān)”離子電流。締合的離子移動發(fā)生熵驅(qū)動損耗會產(chǎn)生離子異質(zhì)結(jié)，其意義可類比PN結(jié)。傳統(tǒng)的PN結(jié)無法拉伸，而本征可拉伸離子彈性體異質(zhì)結(jié)則為可拉伸離子器件奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)論文以“Ionoelastomer junctions between polymer networks of fixed anions and cations”為題，發(fā)表在《Science》上。
近日，?哈佛大學(xué)鎖志剛教授和馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校Ryan C. Hayward教授再次聯(lián)手在Advanced Materials發(fā)表文章， 展示了可在≈1V的電勢下基于離子彈性體異質(zhì)結(jié)的新型的電膠粘劑。通過調(diào)節(jié)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(qū)域，導(dǎo)致IDL中積累了過多的固定電荷。這些薄的界面層中多余的固定電荷所產(chǎn)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(jìn)入聚陽離子域，反之亦然。因此，界面表現(xiàn)為電阻性并且兩種離子彈性體之間的靜電粘附力消失了。
本研究使用了聚（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(lián)網(wǎng)絡(luò)展示了基于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(lián)的ES和AT（包含20 mol％的聚（乙二醇）二丙烯酸酯交聯(lián)劑）來降低兩種離子彈性體之間的粘附力，并且通過添加氣相二氧化硅顆粒（2.5 wt％）來增強(qiáng)兩種離子彈性體的穩(wěn)定性。
為了表征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(jù)Derjagui近似，交叉圓柱體等效于平面上的球面幾何形狀，它將產(chǎn)生明確定義的接觸點，并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(chǎn)生接觸，并保持固定位移30 s進(jìn)行充電離子彈性體，然后在固定電壓下以0.05 mm s-1的相同速度分離。根據(jù)約翰遜·肯德爾·羅伯茨（JKR）模型用于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(zhuǎn)換為臨界應(yīng)變能釋放速率（Gc）Ppeak =（3/2）πrGc。圖2C顯示了在各種施加電壓下，三個離子彈性體結(jié)（即ES / ES和AT / AT同質(zhì)結(jié)以及ES / AT異質(zhì)結(jié)）的Ppeak和Gc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(fù)循環(huán)中，“接通”狀態(tài)（?1 V）和觀察到“關(guān)閉”狀態(tài)（+1 V）為41±4 mN（圖3A）。導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)的Gc對應(yīng)值分別為2.3和0.9 J m-2。此外，本文進(jìn)一步測量了圖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(chǎn)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(yù)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(kuò)展速度的影響。至關(guān)重要的是，與常規(guī)電膠相比ES和AT層之間的電膠對缺陷的耐受性強(qiáng)得多。
最后，本文演示了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(dǎo)線連接的兩種離子彈性體。通過這種幾何形狀，第二貼可用于保持重量而無需連接到電源。在圖4A的插圖中示出了該系統(tǒng)的電路圖。當(dāng)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(yīng)于5 kPa的剪切應(yīng)力。當(dāng)外部電壓切換至+1 V時，焊盤在約1 s的時間范圍內(nèi)失去附著力并彼此分離。這些離子彈性體結(jié)電膠粘劑對于軟和微機(jī)器人應(yīng)用的設(shè)計特別有吸引力，因為無需大型和重型高壓放大器或?qū)ｉT設(shè)計的高壓可操作晶體管和邏輯元件即可對其進(jìn)行控制。在當(dāng)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(qiáng)的粘合性。盡管這種選擇性的互補(bǔ)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(xiàn)低壓粘合到更多其他表面上也很有價值。
總結(jié)與展望:
總之，這項研究已經(jīng)證明離子彈性體結(jié)提供了一種新型的電膠粘劑，可以用低電壓（≈1V）進(jìn)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并最終穿過界面，從而破壞電場，從而大大降低粘附力。因此，這項研究的發(fā)現(xiàn)為設(shè)計電膠粘劑提供了一個全新的平臺，該電膠粘劑能夠在低工作電壓下可逆地切換粘合力，并且比傳統(tǒng)的介電電膠粘劑更能承受損壞。這種方法將在許多領(lǐng)域打開新的機(jī)遇，例如包括機(jī)器人技術(shù)，虛擬現(xiàn)實硬件和響應(yīng)材料。
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