導(dǎo)讀
基于離電式(Iontronic)的力學(xué)傳感器,在靈敏度、抗電磁干擾能力及信號(hào)穩(wěn)定性方面均表現(xiàn)卓越。盡管近年來(lái)在材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)筑以及界面工程等領(lǐng)域取得了令人矚目的進(jìn)展,但相關(guān)研究大多仍聚焦于材料與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化路徑,對(duì)離子傳輸與雙電層形成的關(guān)鍵電學(xué)參數(shù)—離子電導(dǎo)率與激勵(lì)頻率,卻缺乏系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)和定量分析。
近日,中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院葛進(jìn)教授團(tuán)隊(duì)圍繞上述問(wèn)題開(kāi)展研究,通過(guò)調(diào)控離子電導(dǎo)率與激勵(lì)頻率,實(shí)現(xiàn)了離電式壓力傳感性能的顯著提升。研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了離子液滴模型體系,結(jié)合電化學(xué)阻抗譜與等效電路分析技術(shù),系統(tǒng)探究了兩類參數(shù)對(duì)器件阻抗響應(yīng)及表觀電容變化率的影響(圖1(a))。在此基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出總阻抗對(duì)離子電導(dǎo)率和激勵(lì)頻率的偏導(dǎo)關(guān)系,建立了電容變化率與兩者之間的定量關(guān)聯(lián)。結(jié)果表明,降低離子電導(dǎo)率并提高激勵(lì)頻率,可有效提升電容變化率,且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相吻合(圖1(b))。進(jìn)一步將該模型與應(yīng)變力學(xué)結(jié)構(gòu)耦合,構(gòu)建了液滴型壓力傳感器。在保持器件結(jié)構(gòu)不變的前提下,僅通過(guò)調(diào)控上述參數(shù),即可實(shí)現(xiàn)8772%的靈敏度提升(圖1(c)-(e))。將體系從液滴拓展至水凝膠后,相同規(guī)律在固態(tài)離子導(dǎo)體中同樣成立,表明該策略具有普適性。。
在應(yīng)用層面,研究團(tuán)隊(duì)對(duì)液滴與水凝膠兩類器件進(jìn)行了初步驗(yàn)證。液滴傳感器被集成于機(jī)械臂系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了接觸壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及不同軟硬程度物體的區(qū)分(圖2(a));而基于水凝膠的器件則構(gòu)建了4 × 4壓力傳感陣列,用于二維壓力分布成像(圖2(b))。該研究將離子電導(dǎo)率與激勵(lì)頻率明確為影響離電式壓力傳感器性能的重要調(diào)控參數(shù),并建立了相應(yīng)的定量分析框架,為相關(guān)器件的設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化提供了新的分析視角與實(shí)現(xiàn)路徑。
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圖1 研究模型的結(jié)構(gòu)示意圖,離子電導(dǎo)率和激勵(lì)頻率對(duì)界面電容變化率的理論分析以及不同電學(xué)參數(shù)下電容變化率響應(yīng)
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圖2 液滴與水凝膠離電壓力傳感器的應(yīng)用展示
相關(guān)研究成果以《Ionic conductivity and excitation frequency effects in iontronic pressure sensing》為題近期發(fā)表在納米化學(xué)與材料研究領(lǐng)域知名期刊Nano Research上(Nano Res.2026, DOI: 10.26599/NR.2026.94908691)。文章的第一作者是化學(xué)學(xué)院2022級(jí)本科生王永銘,第二作者為化學(xué)學(xué)院2022級(jí)博士生解佳森,通訊作者為化學(xué)學(xué)院葛進(jìn)教授。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金的資助。
論文鏈接:https://doi.org/10.26599/NR.2026.94908691
來(lái)源:中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院
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