超分子—高分子—碳管一起混一混，電化學感測器就出鍋啦

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複合材料體系中多組分間的超分子作用對於複合材料性能的提升具有重要作用。在電子學、電催化及電子感測等應用領域，基於超分子作用實現碳納米材料等功能組分的均勻分散和簡便凝膠化是製備高性能功能性複合材料的關鍵步驟。以往的研究表明，離子液體（ionic liquid，IL）具有性質穩定、難揮發等特性，是構築碳納米管（CNT）等碳納米材料凝膠的理想分散介質。但是，IL製備成本相對偏高，限制了其大規模應用。去年，愛爾蘭都柏林聖三一學院的Jonathan N. Coleman教授課題組將石墨烯和「橡皮泥」（輕度交聯的聚硅樹脂）混合，得到一種敏感度很高的電力學感測材料——G-putty，可以用來檢測變形和衝擊等過程，這一充滿「玩心」的工作發表在Science上（Science,2016,354, 1257，點擊閱讀詳細）。不過這種聚合物-碳複合材料的製備過程中涉及到石墨烯的分散等繁瑣步驟，成本高，體系的粘彈性和可重塑性有待提高。

近日，韓國科學技術研究所（KIST）的Seoung-Ki Lee、Chiyoung Park和水原大學的Seunghyun Lee等研究者受冶金行業低溫共晶焊接技術的啟發，找到了一種更簡單更環保成本更低的方法製備粘彈性聚合物-碳複合材料。他們發現基於二苯胺（DP）和二苯甲酮（BP）之間的電荷轉移相互作用可製備非揮發性的超分子共晶液（eutectic liquid，EL），這種共晶液不僅可以溶解一些聚合物，還能夠與單壁碳納米管（SWCNT）通過研磨形成塊體凝膠。所製備的複合材料具有很好的電力學感測性能，性質完全可調。相關工作發表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

基於EL、CNT和聚合物的凝膠體系的構築及應用示意圖。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

DP和BP分子存在相反的靜電勢，當將BP和DP固體混合在一起時，基於分子間的電荷轉移作用，能夠形成穩定的淡黃色液體（EL）。進一步在該體系中加入純化後的SWCNT能夠形成可注射擠出的粘彈性凝膠。研究團隊基於拉曼光譜測試表明EL體系與SWCNT之間未發生化學反應，同時DSC和TGA測試表明EL體系分子與CNTs表面存在明顯的作用。

基於DP-BP構築SWCNT凝膠體系及表徵。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

研究團隊進一步對DP-BP的EL體系中不同聚合物的溶解性進行了測試，EL基於分子間范德華力和分芳環π-π作用能夠溶解PS、SBS等聚合物體系，基於分子間范德華力和氫鍵作用對EVA、PMMA等聚合物體系具有良好的溶解性。與傳統的離子液體1-丁基-3-甲基咪唑-雙三氟甲基磺醯亞胺（BMITFSI）相比，這種EL的溶解性具有明顯的優越性，且成本更為低廉。上述形成的聚合物溶液體系再引入SWCNT就能夠製得具有優異粘彈性的導電凝膠體系（EL-SBS-CNT），可簡單成型，甚至可以列印。同時，體系的電導率和模量能夠通過調節加入的SWCNT量進行調整。

EL體系聚合物溶解性能測試和EL-SBS-CNT凝膠體系的構築及性能調控。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

該導電凝膠體系具有高度的應力敏感性，作為壓力感測器在脈搏檢測的實際應用中展現優異的靈敏度和性能穩定性（下圖a-c）。此外，基於凝膠體系的粘彈性特徵，該導電凝膠體系具備突出的自修復性能，切斷之後經過輕壓就可恢復導電（下圖d-f）。同時，EL-SBS-CNT導電凝膠能夠通過壓印構築在不同的塑料基底上，這使得其在柔性可穿戴電子器件領域具有重要的應用價值。

EL-SBS-CNT凝膠用作壓力感測器及其自修復性能展示。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

——總結——

韓國科學家基於多組分材料間的超分子作用，採用超分子共晶液和簡便的一鍋法構築了具有粘彈性且性能可調的聚合物-碳複合材料凝膠體系。該導電凝膠體系展現出優異應力感應性和自修復性能，在諸多柔性電子學領域具有極大的應用前景。

Facile Supramolecular Processing of Carbon Nanotubes and Polymers for Electromechanical Sensors

Angew. Chem. Int. Ed.,2017,56, 16180-16185, DOI: 10.1002/anie.201708111

（本文由宗傳永-濟大供稿）

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