浙江
深海中的维多利亚管水母可以通过其器官中的绿色荧光蛋白（GFP）产生绿光。这些生物发光体具有高柔韧性、低能耗、低热发射等优点。与海洋生物类似，可在水环境中工作的柔性电致发光（EL）设备也非常需要用于水下通信和探测。在水下工作的柔性电致发光器件有两个重要组成部分：1）柔性衬底和2）水稳定发光层和电极。交流电致发光（ACEL）器件ACEL具有发射频率可调、电荷积累少、电极与发射层电化学反应低等特点。然而，由于大多数离子导体（如水凝胶）对水不稳定，容易受到水的侵入。具有高介电常数（κ）、拉伸性和水稳定性的介电聚合物是另一个必要的组成部分。传统的聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有较低的介电常数因此需要依靠高工作电压来实现足够的发射亮度。虽然商用含氟聚合物具有较高的κ，但除非加入添加剂，否则它们是不可拉伸的。水敏感的添加剂会导致水的侵入，使介质在水中不稳定。因此，具有高介电常数和水稳定电极的可拉伸和水稳定介电材料非常适合在水环境中应用ACEL。
近日，清华大学化学系王朝教授课题组报道了一种具有高水稳定性的透明可拉伸氟化介电材料。将其与水稳定离子导体相结合，成功地实现了ACEL器件的水下工作。介质聚合物在水中浸泡数月后，其力学性能不会发生衰减。在水中储存数月后，ACEL器件的亮度与原始状态相当。此外，它可以在经历穿刺或大损伤后自愈，而不会失去功能。这一工作以《A Stable, Self-Healable, and Stretchable Dielectric Polymer for Electroluminescent Device Working Underwater》发表在材料类顶级期刊Advanced Functional Materials上，共同第一作者为清华大学化学系博士研究生Yuncong Liu、Lin Sun。
图1. 介电聚合物的设计与性质
作者首先设计了新型介电聚合物。其中刚性的pTFEMA部分提供机械强度，柔软的pHFBA部分增强韧性。PFPEMA的引入同时提高了介质层的κ、疏水性和粘附性。材料的透光度介于98-100%之间，介电常数介于5.6-10.7。作者同时利用双阳离子离子液体与氟橡胶混合获得了离子导体。通过五层器件结构的设计，作者将与高压连接的电极与水环境分隔开，从而可以避免在水下工作时器件发生短路。
图2. ACEL器件性能
与用PDMS做介电层的器件相比，在电场强度为1.5 V μm -1的情况下，器件亮度可以达到18.22 cd m -2。通过改变器件受到的电场和发光层厚度，器件最大的发光亮度可以达到1858.93 cd m -2。
图3. 自修复性能
由于材料中具有丰富的偶极-偶极作用，材料可以在发生损伤后可以在空气中与溶液环境中进行自修复。除了力学性能的恢复以外，器件的光学性能也可以恢复至初始状态。器件在经历小损伤，例如划痕，或者大损伤（切除再拼接）后，通过自我修复依然可以在水下正常工作。
图4. 稳定性测试
随后，作者对材料和器件的水稳定性进行了测试。发现材料的力学性能在各种溶液环境中浸泡一月后仍能维持稳定。器件经过浸泡后，发光强度与初始强度相比没有明显衰减。通过与以水凝胶做电极的器件相比，该器件在经过浸泡后，电极依然可以稳定粘附在发光层表面，从而提高器件的水稳定性。
图6. 水下探测
最后，通过将该器件与光传感器连接，作者获得了可以在水下进行探测的装置。例如，将该装置放置在机器人表面，在靠近障碍物时，由于障碍物的反光，会使光传感器的光强增加，从而提前预知危险，进行转向。这种新型稳定的ACEL装置在水下照明和探测方面具有巨大的应用潜力。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202402453
来源：高分子科学前沿
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