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导电型凝胶Conducting Gels

本文来自Chem-Station日文版 導電性ゲル Conducting Gels: 流れない流体に電気を流すお話 Monica

翻译投稿 炸鸡 校对 肥猫

凝胶是一种特殊的分散体系。凝胶最初是指在高分子形成的三维网络结构中吸收液体的材料。溶胶或溶液中的胶体粒子或高分子在一定条件下互相连接,形成空间网状结构,结构空隙中充满了作为分散介质的液体,这样就构成了凝胶。读者们吃过魔芋吗?魔芋就是一种凝胶,我们小时候喜欢吃的果冻也是一种凝胶。

凝胶兼具“液体”和“固体”双重性质,在各个领域都有广泛的应用。本篇内容旨在介绍导电型凝胶。导电型凝胶大致分为3类:离子负载凝胶,导电型高分子凝胶,超分子导电型凝胶。下面笔者为你们分别详细介绍这三种导电型凝胶。

导电型凝胶的种类

凝胶可分为化学凝胶和物理凝胶。形成三维网状结构的高分子通过共价键连接在一起的凝胶被称为化学凝胶,通过非共价键相互作用连接在一起的凝胶被称为物理凝胶。化学凝胶中因为共价键可以形成稳定交叉链接,所以化学凝胶一般都很坚硬且具有脆性,化学凝胶的形成过程为不可逆过程。而物理凝胶中,非共价键形成的交叉链接很容易被打破,故而溶胶和凝胶之间的相变是可逆的(图1)。文章后面我将讲到的超分子导电凝胶就属于物理凝胶。

图1 化学凝胶和物理凝胶的区别

导电型凝胶有以下3个特征:
1. 离子和小分子可以容易地扩散到高分子网络凝胶中的空腔中。
2. 因为高分子网络可以吸收(溶胀)溶剂,所以在高分子链和溶液之间会产生显著的相互作用
3. 可以如固体般保持稳定的形状,但又具有液体的流动性

由于导电凝胶具有这些特点,所以导电凝胶可被用作一种柔软的,可拉伸的导电材料,用于电极,传感器和执行器(一种将电信号的输入转换为物理运动的装置)。如下图所示,导电凝胶可以分为3类(图2)。

图2 导电型凝胶的种类

(1)离子负载凝胶:高分子三维网络(交叉链接)中充斥着离子,离子像溶剂一样充满高分子网络,离子的移动使凝胶具有导电性质的凝胶。
(2)导电型高分子凝胶:由于π共轭高分子自身的电子移动引起导电性的凝胶。
(3)超分子导电型凝胶:小分子通过非共价键相互作用互相缠绕形成的凝胶,其通过大量存在的共轭π电子表现出导电性。

这三种导电型凝胶因性质差异能被分别应用到不同的领域。下面我来详细介绍它们各自的特点。

图3 3种导电型凝胶各自的应用领域

离子负载凝胶

离子负载凝胶是指大量含有金属离子,氢离子或离子液体的凝胶。与金属离子和氢离子相溶性优异的高分子有聚丙烯酰胺类聚合物和聚甲基丙烯酸酯类聚合物。与离子液体相溶性优异的高分子代表性的有聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)共聚物[P(VDF-HFP)]。离子液体有1-乙基-3-甲基咪唑鎓(1-ethyl-3-methylimidazolium:EMIM)(图4)。

图4 高分子和离子液体的结构式

由离子负载凝胶制成的膜具有机械柔韧性,表面积大,化学性质稳定,透明度高和一定的离子传导性等一系列优点,用于燃料电池,锂离子电池和致动器的制造。离子负载凝胶由嵌段共聚物和离子液体构成,所以离子负载凝胶的缺点就是合成步骤繁琐。而且离子负载凝胶的导电率并不是很高,如果你需要像金属那样高的导电率的话,显然离子负载凝胶并不是一个好的选择。

导电型高分子凝胶

导电型高分子凝胶有聚噻吩(PTh型)、聚苯胺(PANI)型、聚吡咯(PPy)型等,多为具有π共轭体系的高分子链(图8)。

图5  导电型高分子的结构式

在这里笔者要介绍一种导电型高分子凝胶,它能在体内传递细胞,由苯胺四聚体(CS-AT)和以二苯甲醛为末端的聚乙二醇(PEG-DA)合成的凝胶就属于这一种,这种凝胶具有优异的导电性,自我修复性和生物相容性,所以可用作心脏再生的细胞载体(图9)。将目标细胞注射进导电型高分子凝胶后,目标细胞通过自我修复功能恢复到注射前的状态,因为导电型高分子凝胶的生物相容性很好,所以注射进凝胶的细胞的生存率都很高。并且该款凝胶拥有与心脏组织同等程度的导电率,所以可以用来再生心脏组织来满足心肌梗塞治疗中对心肌细胞需求。

图6 CS-AT凝胶

超分子导电型凝胶

超分子导电型凝胶具有优秀的的外部刺激应答性,可用于电压等电致发光(EL),传感器,光电器件等。但是超分子导电型凝胶和其他导电型凝胶比起来存在着导电性差,机械强度低等缺点,所以通常要和其他高分子或碳纳米材料合用。

从图1可以看到,超分子导电型凝胶大致可分为4类:超分子离子凝胶,超分子金属凝胶,π-凝胶化超分子还有碳纳米材料超分子凝胶。

超分子离子凝胶由低分子集合体和作为溶剂的离子液体所组成,其导电性和单纯的离子液体旗鼓相当。超分子金属凝胶是网络结构中至少含有一种金属元素的凝胶,其导电性高于其他超分子凝胶。π-凝胶化超分子是一种通过功能性π-凝胶化剂的自组装形成导电路径(纤维)的凝胶,因为导电路径上的胶凝剂分子之间π轨道的重叠非常之多,所以π-凝胶化超分子的导电率非常地高。碳纳米材料超分子凝胶是一种通过碳纳米材料(如石墨烯和碳纳米管(CNT))的自组装,通过与高分子,低分子和离子的物理交联而表现出导电性的凝胶。

参考论文

Chakraborty, P.; Das, S.; Nandi, A. K. “Conducting gels: A chronicle of technological advances” Progress in Polymer Science 2019, 88, 189. DOI:10.1016/j.progpolymsci.2018.08.004

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