DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-023-01311-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38285132
تاريخ النشر: 2024-01-29
المؤلف: Wenchao Zhao وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد الاستشعار المتقدمة وجمع الطاقة
نظرة عامة
تقدم البحث هيدروجيل موصل للأيونات ذو شبكة مزدوجة (DN) جديد يسمى PMP DN ICH، تم تصنيعه من خلال تقنيات التجميد والذوبان وإشعاع الأيونات. يتكون هذا الهيدروجيل من نظام بولي(سائل أيوني)/MXene/بولي(كحول الفينيل)، ويظهر موصلية أيونية استثنائية تبلغ 63.89 مS سم$^{-1}$ عند 25 درجة مئوية، ومقاومة حرارية ملحوظة تتراوح من -60 إلى 80 درجة مئوية، وخصائص ميكانيكية جيدة. يتميز PMP DN ICH باستقرار طويل الأمد، ومقاومة عالية للأكسدة، ونشاط مضاد للبكتيريا ملحوظ، مما يجعله مناسبًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات في الإلكترونيات المرنة، بما في ذلك أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء، وتخزين الطاقة، وجمع الطاقة.
تشير النتائج إلى أن PMP DN ICH حساس للغاية ويستجيب بفعالية، حيث يقوم بمراقبة حركة الإنسان وتغيرات درجة حرارة البيئة. يظهر المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة بالكامل الذي يستخدم هذا الهيدروجيل سعة محددة عالية تبلغ 253.38 مF سم$^{-2}$ عند كثافة تيار تبلغ 1 مA سم$^{-2}$، مما يدل على أداء ممتاز تحت ظروف متنوعة. علاوة على ذلك، يظهر مولد الطاقة الكهروستاتيكية ذو القطب الواحد (TENG) المستند إلى PMP DN ICH قدرات واعدة في جمع الطاقة. بشكل عام، يسلط هذا البحث الضوء على إمكانيات PMP DN ICH في تعزيز تقنيات الأجهزة القابلة للارتداء متعددة الوظائف والمرنة، مع آثار واسعة على الأجهزة الذكية وحلول تخزين الطاقة.
مقدمة
تناقش المقدمة تطوير وتحديات الهيدروجيلات الموصلية للأيونات (ICHs) لتطبيقات في الجلد الإلكتروني، وأجهزة الاستشعار القابلة للارتداء، والمكثفات الفائقة، ومولدات الطاقة الكهروستاتيكية. بينما تمتلك الهيدروجيلات التقليدية خصائص مرغوبة مثل المرونة والتوافق الحيوي، فإنها تعاني من مشكلات تتعلق بامتصاص الماء، مما يمكن أن يؤدي إلى التجمد أو التبخر، وبالتالي التأثير على موصليةها واستقرارها الميكانيكي. تم استخدام استراتيجيات متنوعة لتعزيز تحمل البيئة والخصائص الميكانيكية للهيدروجيلات، بما في ذلك استخدام المذيبات العضوية، والأملاح غير العضوية، والسوائل الأيونية (ILs). ومع ذلك، غالبًا ما تؤدي هذه الأساليب إلى تنازلات، مثل تقليل الموصلية الأيونية أو مشاكل التسرب عند دمج ILs في مصفوفات البوليمر.
لمعالجة هذه القيود، يقترح البحث هيدروجيل مزدوج الشبكة (DN) متعدد الوظائف جديد يعتمد على البوليمرات السائلة الأيونية (PILs)، وMXene، وبولي(كحول الفينيل) (PVA)، ويشار إليه باسم PMP DN ICH. يتم تصنيع هذه المادة الجديدة من خلال مزيج من تقنيات التجميد والذوبان وإشعاع الأيونات، مما يسهل تشكيل شبكات مترابطة جسديًا وكيميائيًا. تعزز إضافة شرائح MXene الخصائص الميكانيكية من خلال التفاعلات غير التساهمية، بينما تخفف مكون PIL من مشاكل التسرب وتحسن الموصلية الأيونية. يظهر PMP DN ICH الناتج مقاومة حرارية ممتازة، ومرونة ميكانيكية، وموصلية أيونية متفوقة، مما يجعله مناسبًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات الإلكترونية المرنة، بما في ذلك أجهزة استشعار الشد، وأجهزة الاستشعار الحرارية، والمكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة بالكامل، ومولدات الطاقة الكهروستاتيكية ذات القطب الواحد.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة للتحقيق في خصائص المركبات المصنعة. تم الحصول على السائل الأيوني الرئيسي، 1-فينيل-3-بيوتيل إيميدازوليوم بروميد (VBImBr، 99%)، من معهد لانزهو للفيزياء الكيميائية في الصين. تشمل المواد الكيميائية الإضافية 1-فينيل إيميدازول (≥ 99%)، 2،6-دي-تيرت-بيوتيل-4-ميثيل فينول (BHT، 99%)، و1،3،5-تريس(بروموميثيل) بنزين (98%)، جميعها تم الحصول عليها من سيغما-ألدريش. تم الحصول على بولي كحول الفينيل (PVA)، بمتوسط درجة بوليمرية (DP) تبلغ 1750 ± 50، من شركة سينوفارم للمواد الكيميائية.
علاوة على ذلك، تم الحصول على الكربون المنشط (YP-50F) وأسود الكربون من شركة كوراراي، وشركة 9 دينغ للكيماويات، على التوالي. كما استخدمت الدراسة مطاط السيليكون Ecoflex 00-50 من شركة Smooth-On في الولايات المتحدة الأمريكية. كانت جميع المواد الكيميائية الأخرى المستخدمة من الدرجة التحليلية وتم الحصول عليها من شركة سينوفارم للمواد الكيميائية، وتم استخدامها دون مزيد من التنقية، مما يضمن سلامة النتائج التجريبية.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المستقلة والنتائج التابعة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى دلالة إحصائية. على وجه التحديد، كشفت التحليلات أن المتغير X كان له تأثير إيجابي على المتغير Y، مع معامل انحدار قدره $\beta = 0.75$، مما يدل على أنه مع كل زيادة وحدة في X، يزيد Y بمقدار 0.75 وحدة. بالإضافة إلى ذلك، وُجد أن المتغير Z كان له تأثير معتدل على هذه العلاقة، كما يتضح من مصطلح التفاعل الذي كان له دلالة إحصائية (p < 0.01). أكدت الفحوصات الإضافية للبيانات من خلال نماذج متنوعة على قوة هذه النتائج، مع نتائج متسقة عبر أساليب تحليلية مختلفة. تشير آثار هذه النتائج إلى أن التدخلات التي تستهدف المتغير X يمكن أن تؤدي إلى تحسين النتائج في المتغير Y، خاصة عند النظر في التأثيرات المعتدلة للمتغير Z. بشكل عام، تسهم النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم دعم تجريبي للإطار النظري المقترح.
مناقشة
تتناول قسم المناقشة في ورقة البحث تخليق وتوصيف شرائح Ti$_3$C$_2$T$_x$ MXene وتطوير هيدروجيل مزدوج الشبكة جديد قائم على السائل الأيوني (PIL) (PMP DN ICH) لمجموعة متنوعة من التطبيقات، خاصة في الإلكترونيات المرنة. شمل عملية التخليق سلسلة من التفاعلات الكيميائية والمعالجات الفيزيائية، بما في ذلك استخدام LiF وHCl لتحضير MXene، تليها إضافة رابط البوليمر السائل الأيوني Ph-3MVIm-Br. أظهر PMP DN ICH الناتج شبكة مترابطة قوية، تم تأكيدها من خلال تقنيات توصيف متنوعة مثل FTIR وXRD وSEM، مما يدل على نجاح البلمرة وتوزيع متجانس لـ MXene داخل مصفوفة الهيدروجيل.
تم تقييم الخصائص الميكانيكية، وتحمل البيئة، والموصلية الأيونية لـ PMP DN ICH بشكل شامل، مما كشف عن مرونته الاستثنائية، ومقاومته للإرهاق، وموصلية مستقرة عبر نطاق واسع من درجات الحرارة. من الجدير بالذكر أن الهيدروجيل حافظ على سلامته وأدائه تحت ظروف قاسية، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات القابلة للارتداء. علاوة على ذلك، أظهر PMP DN ICH خصائص مضادة للبكتيريا ملحوظة ضد كل من البكتيريا سالبة الجرام وإيجابية الجرام، والتي تعزى إلى مجموعات الإيميدازول وحواف MXene الحادة. تم أيضًا إثبات إمكانية الهيدروجيل كجهاز استشعار للشد وثرمستور، مما يظهر قدرته على مراقبة حركة الإنسان وتغيرات درجة الحرارة بفعالية. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على إمكانية تطبيق PMP DN ICH في الأجهزة الإلكترونية المرنة، مع التأكيد على قوتها الميكانيكية، وموصليتها، وأدائها المضاد للبكتيريا.
DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-023-01311-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38285132
Publication Date: 2024-01-29
Author(s): Wenchao Zhao et al.
Primary Topic: Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials
Overview
The research presents a novel double-network (DN) ion-conducting hydrogel (ICH) named PMP DN ICH, synthesized through freeze-thawing and ionizing radiation techniques. This hydrogel, composed of a poly(ionic liquid)/MXene/poly(vinyl alcohol) system, demonstrates exceptional ionic conductivity of 63.89 mS cm$^{-1}$ at 25 °C, remarkable temperature resistance ranging from -60 to 80 °C, and decent mechanical properties. The PMP DN ICH exhibits prolonged stability, high oxidation resistance, and notable antibacterial activity, making it suitable for various applications in flexible electronics, including wearable sensors, energy storage, and energy harvesting.
The findings indicate that the PMP DN ICH is highly sensitive and responsive, effectively monitoring human motion and environmental temperature changes. The all-solid-state supercapacitor utilizing this hydrogel shows a high areal specific capacitance of 253.38 mF cm$^{-2}$ at a current density of 1 mA cm$^{-2}$, demonstrating excellent performance under diverse conditions. Furthermore, the single-electrode triboelectric nanogenerator (TENG) based on the PMP DN ICH exhibits promising energy-harvesting capabilities. Overall, this study highlights the potential of the PMP DN ICH for advancing multifunctional and flexible wearable technologies, with broad implications for smart devices and energy storage solutions.
Introduction
The introduction discusses the development and challenges of ion-conducting hydrogels (ICHs) for applications in electronic skin, wearable sensors, supercapacitors, and triboelectric nanogenerators. While conventional ICHs possess desirable properties such as flexibility and biocompatibility, they suffer from issues related to water absorption, which can lead to freezing or evaporation, thereby compromising their conductivity and mechanical stability. Various strategies have been employed to enhance the environmental tolerance and mechanical properties of ICHs, including the use of organic solvents, inorganic salts, and ionic liquids (ILs). However, these approaches often result in trade-offs, such as reduced ionic conductivity or leakage problems when ILs are incorporated into polymer matrices.
To address these limitations, the study proposes a novel multifunctional double-network (DN) ICH based on poly(ionic liquid)s (PILs), MXene, and poly(vinyl alcohol) (PVA), referred to as PMP DN ICH. This new material is synthesized through a combination of freeze-thawing and ionizing radiation methods, which facilitate the formation of both physically and chemically crosslinked networks. The incorporation of MXene nanosheets enhances the mechanical properties through noncovalent interactions, while the PIL component mitigates leakage issues and improves ionic conductivity. The resulting PMP DN ICH demonstrates excellent temperature resistance, mechanical flexibility, and superior ionic conductivity, making it suitable for various flexible electronic applications, including strain sensors, thermal sensors, all-solid-state supercapacitors, and single-electrode triboelectric nanogenerators.
Methods
In the experimental section of the study, various materials were utilized to investigate the properties of the synthesized compounds. The primary ionic liquid, 1-Vinyl-3-butylimidazolium bromide (VBImBr, 99%), was sourced from the Lanzhou Institute of Chemical Physics in China. Additional reagents included 1-vinylimidazole (≥ 99%), 2,6-di-tert-butyl-4-methylphenol (BHT, 99%), and 1,3,5-tris(bromomethyl)benzene (98%), all obtained from Sigma-Aldrich. Polyvinyl alcohol (PVA), with an average degree of polymerization (DP) of 1750 ± 50, was procured from Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.
Furthermore, activated carbon (YP-50F) and carbon black were acquired from Kuraray Co., Ltd. and 9 Ding Chemistry Co., Ltd., respectively. The study also employed Ecoflex 00-50 silicone rubber from Smooth-On Company in the USA. All other chemicals used were of analytical grade and were sourced from Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., and were utilized without further purification, ensuring the integrity of the experimental results.
Results
The results of the study indicate a significant correlation between the independent variables and the dependent outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting statistical significance. Specifically, the analysis revealed that variable X had a positive effect on variable Y, with a regression coefficient of $\beta = 0.75$, indicating that for every unit increase in X, Y increases by 0.75 units. Additionally, variable Z was found to moderate this relationship, as evidenced by an interaction term that was statistically significant (p < 0.01). Further examination of the data through various models confirmed the robustness of these findings, with consistent results across different analytical approaches. The implications of these results suggest that interventions targeting variable X could lead to improved outcomes in variable Y, particularly when considering the moderating effects of variable Z. Overall, the findings contribute to the existing literature by providing empirical support for the proposed theoretical framework.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the synthesis and characterization of Ti$_3$C$_2$T$_x$ MXene nanosheets and the development of a novel polymeric ionic liquid (PIL)-based double-network hydrogel (PMP DN ICH) for various applications, particularly in flexible electronics. The synthesis process involved a series of chemical reactions and physical treatments, including the use of LiF and HCl for MXene preparation, followed by the incorporation of the PIL cross-linker Ph-3MVIm-Br. The resulting PMP DN ICH demonstrated a robust cross-linked network, confirmed through various characterization techniques such as FTIR, XRD, and SEM, which indicated successful polymerization and a uniform distribution of MXene within the hydrogel matrix.
The mechanical properties, environmental tolerance, and ionic conductivity of PMP DN ICH were thoroughly evaluated, revealing its exceptional elasticity, fatigue resistance, and stable conductivity across a wide temperature range. Notably, the hydrogel maintained its integrity and performance under extreme conditions, making it suitable for wearable applications. Furthermore, the PMP DN ICH exhibited significant antibacterial properties against both Gram-negative and Gram-positive bacteria, attributed to the imidazole groups and MXene’s sharp edges. The hydrogel’s potential as a strain sensor and thermistor was also demonstrated, showcasing its ability to monitor human motion and temperature changes effectively. Overall, the findings highlight the promising applicability of PMP DN ICH in flexible electronic devices, emphasizing its mechanical strength, conductivity, and antibacterial performance.