【儀表網 研發快訊】基于Grotthuss跳躍機制的質子導體在形變傳感領域具有獨特優勢。與依靠金屬離子或離子液體等載荷離子擴散遷移的傳統形變傳感電解質不同，Grotthuss機制通過氫鍵網絡的連續重構來實現質子傳導，顯著降低了質子遷移的能壘。這一特性使質子導體在低溫或高頻形變等苛刻環境下仍能保持穩定的傳導性能，克服了傳統傳感材料在極端工況下信號失真的不足。特別是在動態形變監測中，氫鍵網絡的快速重構確保了質子傳導與機械變形的實時同步響應，改善了常規傳感材料在快速機械刺激下的信號遲滯。這些特性使質子導體成為實現超快響應形變傳感的理想候選材料。然而，高效的質子傳導機制導致體系對外界機械刺激的響應信號強度不足，造成傳導效率與響應靈敏度之間的矛盾，是制約質子導體在形變傳感領域實際應用的關鍵科學問題，亟需通過創新材料設計策略予以突破。
針對上述難題，李昊龍教授團隊提出了基于層狀液晶結構的響應增強策略。通過調控多金屬氧簇(SiW)與共熔導向分子(HPS)及結構導向分子(IBS)間的超分子組裝行為及共熔效應，制備了具有有序層狀納米通道的液晶質子導體。研究通過優化體系的靜電與氫鍵作用，實現了質子傳導性與形變響應性的協同提升。分子動力學模擬表明IBS/HPS分子在SiW團簇周圍發生自組裝微相分離，形成了具有交替排列特征的層狀超晶格結構，為質子傳輸提供了高度定向的傳導路徑。該結構在維持良好質子傳導性能(30℃，7.94×10-4S cm-1)的同時，表現出靈敏的形變響應特性。而且，該類液晶質子導體可以與彈性聚合物織物復合制備柔性可拉伸電解質，在100%拉伸應變條件下可實現高達340%的電阻變化率(ΔR/R)，其靈敏度系數(GF)達到3.7，較傳統均相電解質材料提升超過5倍。
該研究通過層狀液晶通道設計，將結構有序性與動態響應性在質子導體中有效結合，解決了質子導體傳感信號強度不足的問題，為發展高靈敏柔性形變傳感器提供了新策略，相關設計理念可拓展至其他功能離子導體的開發，在可穿戴設備等領域具有廣闊應用前景。上述成果以"Nanocluster-Based Liquid Crystal Electrolytes for Deformation-Responsive Proton Conductors"為題發表于Nano Letters(DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c02003)。吉林大學鼎新博士后柴圣超為第一作者，李昊龍教授為通訊作者。
圖1. (a)層狀液晶質子導體的設計與微相結構；(b, c)在不同應變下的相對電阻變化率及靈敏度。
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