科技日报记者 颉满斌
记者24日从中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国重点实验室获悉，该所摩擦物理与传感课题组，通过优化离电凝胶力学性能与离电性能的无缝兼容性，利用“分子−结构正交设计”策略，首次在力学强韧的凝胶中实现了连续、稳定的离子压电效应。该研究发表在《自然·通讯》上。
在生物体内，机械感受系统通过机械敏感离子选择性蛋白通道，可将外界机械刺激转化为具有兴奋或抑制特征的电生理信号，这一生物力电转导机制启发了离子电子学的发展。离子压电材料依靠压力梯度下阴、阳离子迁移率差异产生的净电荷分离（即流动电势）实现力电耦合，是界面集成传感的理想材料体系。
然而，现有基于离子压电水凝胶普遍面临力学性能不足的问题，且在持续或高载荷作用下易出现压电电压饱和或衰减迅速的现象，其根源在于力学性能与离电活性之间的内在权衡关系：软基质利于形成高压力梯度促进离子迁移，却难以维持结构稳定性；强韧网络虽能承受机械载荷，但弱压力梯度往往抑制离子高效传输。这种权衡成为制约离子压电效应作为智能响应界面软材料在超高承载和摩擦传感等应用的关键挑战。
课题组通过机械训练构建层级互穿的纳米纤维网络结构，不仅实现了多尺度能量耗散机制强韧化了力学属性，而且为压力驱动的离子流提供了定向迁移通道，降低了离子压电水凝胶中未受约束的离子迁移必须克服三维网络的空间阻力。分子尺度上，在离子压电凝胶网络中引入PEDOT：PSS作为Na⁺和Cl⁻的电荷补偿受体，产生离子−电子的电荷补偿反应，实现非对称阴、阳离子传输动力学。在施加压力下，Cl⁻作为PEDOT骨架上空穴的主要电荷补偿载体可以有效延伸电子传输链以加速Na⁺迁移，从而放大了Na⁺与Cl⁻之间的迁移率差，产生敏感的离电响应电压；而当压力释放时，PSS链上–SO3⁻基的Na⁺键合位点被激活，可有效阻碍Na⁺逆向迁移，增强离子失活动力学，产生可持续的离电效应。
该研究破解了柔性离子压电材料长期面临力学性能与离电性能难以协同优化的核心瓶颈，为开发新一代智能响应界面与摩擦传感材料提供了全新的设计思路与调控机制。
（受访者供图）
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