连续压电离子性驱动的力电耦合：机械稳健导电低共熔凝胶实现长效压电输出

《Nature Communications》：Continuous piezoionicity-driven electromechanical coupling in mechanically robust conductive eutectogels

本文报道了一种基于分子-结构协同设计的机械稳健导电低共熔凝胶（PIEgels），通过分层取向的离子传输路径和PEDOT:PSS介导的电荷补偿机制，解决了传统压电离子材料机械性能与压电效应间的矛盾。研究实现了峰值40 mV的连续压电电压输出（持续约200秒），为新一代柔性生物电子器件和自驱动传感系统提供了新策略。

　　

在生物体内，皮肤中的机械感受器能够通过离子通道将机械刺激转化为电生理信号，这一精妙的力电转换机制为开发仿生传感材料提供了灵感。然而，传统压电离子材料（如水凝胶）常面临机械强度与压电性能难以兼得的困境：软材料易形成高压梯度但机械性能差，而硬材料则因应力集中导致离子传输缓慢。这一矛盾严重限制了其在长期负载场景（如可穿戴设备、神经调控接口）中的应用。

为解决这一挑战，中国科学院兰州化学物理研究所的徐成功、王文鹏、冯艳阁等人在《Nature Communications》发表研究，提出了一种分子与结构协同设计的策略，成功研制出兼具高机械强度和连续压电离子响应的导电低共熔凝胶（PIEgels）。该材料通过机械训练构建分层网络结构，并利用导电聚合物PEDOT:PSS与离子（Na⁺/Cl^-）的电荷补偿效应，实现了压力驱动下的长效离子流输出，为仿生传感和能量收集提供了新思路。

研究团队通过四个关键步骤构建PIEgels：首先采用盐析和冷冻-解冻法制备PVA/PEDOT:PSS水凝胶基底；随后通过低共熔溶剂（DES）置换形成单网络低共熔凝胶（SNE）；接着通过机械预拉伸诱导PVA纳米纤维取向排列；最后引入化学交联的第二网络P(AAm-co-AAc)形成双网络低共熔凝胶（DNE）。该工艺使材料的杨氏模量提升至21.72 MPa，断裂强度达23.53 MPa，电导率为0.164 S cm^-1。

分子与结构设计实现机械强化

通过广角/小角X射线散射（WAXS/SAXS）和扫描电镜（SEM）分析，研究发现盐析和DES置换显著促进了PVA纳米晶域的形成（晶域尺寸约7.0 nm），而机械训练进一步构建了分层取向的纤维网络。双网络结构通过能量耗散的多机制（氢键、结晶域、共价交联）协同作用，实现了材料韧性的显著提升（断裂功达42.39 MJ m^-3）。

离子-电子耦合增强电化学性能

电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安（CV）测试表明，PEDOT:PSS与NaCl的离子交换反应（ΔG_IE= -317.7 kJ mol^-1）是提升离子传输效率的关键。PEDOT骨架通过空穴-极化子相互作用促进Cl^-传输，而PSS链上的-SO₃^-基团与Na⁺结合，形成动态电荷补偿通路，使20PP-DNE的离子电阻（R_i）显著降低。

分层结构与电荷补偿机制协同驱动压电效应

在压力作用下，PIEgels通过分层网络引导Na⁺定向迁移，产生净电荷不平衡而输出压电电压。实验显示，20PP-DNE的压电灵敏度（S）达1457 mV s^-1，失活时间（T）延长至2.569秒，峰值电压为40 mV（3.0 MPa下）。分子动力学（MD）模拟进一步揭示，压力施加阶段Na⁺扩散系数（1.84×10^-12cm²s^-1）显著高于Cl^-（1.66×10^-12cm²s^-1），而压力释放后Cl^-反超，证实了离子迁移的动力学不对称性。

机制验证与应用演示

拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）分析表明，压力作用下PEDOT从苯式结构转变为醌式结构，延长了电子传输链；同时Na⁺与-SO₃^-的结合能增强（-309.1 kJ mol^-1），Cl^-与PEDOT的相互作用（-142.7 kJ mol^-1）进一步抑制了反离子迁移。基于此，研究团队构建了串联式PIEgels器件，成功演示了其在运动监测和能量收集中的潜力。

该研究通过分子-结构协同设计，实现了机械性能与压电离子效应的统一，突破了传统材料的性能瓶颈。PIEgels的分层网络结构和动态电荷补偿机制为开发长效、稳定的柔性离子电子器件提供了新范式，在生物传感、人机交互和自驱动系统等领域具有广阔应用前景。