超强丝织物离子凝胶传感器实现应变/温度/触觉多模式传感的突破性研究

针对离子凝胶机械性能不足和环境稳定性差的问题，研究人员通过热调控策略开发了基于蚕丝织物（SF）的多功能离子凝胶（BSFIGs）。该材料展现出11.3 MPa的高拉伸强度和2.53 MJ/m3的断裂功，同时具备应变（GF=1.19）、温度（TCR=?3.17/°C-1）和触觉多模式传感能力，为智能穿戴和极端环境应用提供了新方案。

　　

在智能穿戴和软体机器人领域，离子凝胶（Ionogels）因其优异的离子导电性和光学透明性成为研究热点。然而，传统离子凝胶面临机械性能弱、环境稳定性差和功能单一等瓶颈，尤其在极端温度或复杂力学环境下易失效。例如，现有材料在拉伸强度（通常<5 MPa）和裂纹扩展敏感性方面表现不佳，且难以同步实现应变、温度和触觉的多参数感知。这一矛盾严重限制了其在医疗监测、人机交互等场景的应用。

为解决这些问题，西南大学的研究团队创新性地利用蚕丝织物（SF）的天然多级结构，结合离子液体（IL）的动态网络，开发了一种超强丝织物离子凝胶（BSFIGs）。通过热调控分阶段组装策略，材料不仅保留了丝绸的高强度框架，还通过[Bmim]Cl（1-丁基-3-甲基咪唑氯盐）与丝蛋白的氢键/疏水相互作用构建了稳定的离子传导通路。研究成果发表于《Nano Materials Science》，展示了该材料在-80°C下的环境稳定性及多模式传感的突破性性能。

关键技术方法
研究采用三步热处理方法：脱水后的SF浸渍IL溶液，经80°C常压和85°C真空热处理后，通过25°C凝胶化形成BSFIGs。通过SEM、FTIR和XRD表征微观结构，力学测试评估拉伸/断裂性能，并搭建多物理场平台测试应变、温度及触觉传感性能。

研究结果

3.1 丝织物离子凝胶的制备与表征
FTIR显示IL处理使丝蛋白羟基峰红移（3459→3436 cm^?1），表明氢键重组；XRD证实结晶度降低，离子迁移通道增加。SEM观察到纤维表面粗糙化，形成三维离子通路（图1d）。材料在-80°C下仍保持85%透光率和1.10的应变灵敏度（仅降低1.78%）。

3.3 力学性能
BSFIGs-6的拉伸强度达11.3 MPa，断裂应变44.8%，优于多数丝素水凝胶（表1）。含50%缺口的样品仍保留1.42 MJ/m³断裂功（图3e），展现裂纹不敏感性。折叠、穿刺实验验证其耐用性（图3g）。

3.4-3.6 多模式传感性能
应变传感：GF=1.19（R²=0.99），响应时间158 ms，1000次循环后稳定性良好（图4d）。温度传感：TCR=?3.17/°C^-1，可监测人体发热（ΔT=1.4°C，图5e）。触觉传感：通过电阻变化区分不同粗糙度材料（图6c），并实现3 mm精度的触摸定位（图6f）。

结论与意义
该研究通过丝绸织物的结构优势与IL的协同效应，首次实现了机械强度与多模式传感的一体化设计。BSFIGs的裂纹不敏感性和-80°C稳定性拓展了其在极地勘探、太空装备等场景的应用潜力。未来通过优化三维织物结构，有望进一步提升传感维度，推动柔性电子与生物医学工程的交叉创新。