鲍哲南院士，最新AFM！

透明可图案化可拉伸导电聚合物固态电极用于介电弹性体执行器

介电弹性体执行器（DEAs）提供了多样化的应用，包括触觉技术、软体机器人和智能透镜。然而，由于缺乏具有低模量和高拉伸性的导电电极，它们使用非固体电极，限制了与其他系统的集成。在本研究中，斯坦福大学鲍哲南院士报道了一种透明且可图案化的固体电极，其驱动性能与常用的非固体对应物（例如，碳脂）相当，由可拉伸和可图案化的导电聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)（PEDOT:PSS）和聚(乙二醇)-聚(丙二醇)-聚(乙二醇)二丙烯酸酯（P123DA）组成。改变P123DA与PEDOT:PSS的比例可以优化电极的电学和机械性能，以在静态和动态驱动中实现柔软的固体电极。发现P123DA与PEDOT:PSS的比例影响PEDOT:PSS纳米纤维的形成及其相关的电学和机械性能。此外，所得到的基于P123DA/PEDOT:PSS的固体电极显示出超过95%的卓越光学透过率。这项工作突出了调节不同固体电极属性的潜力，以实现透明、可图案化和可拉伸的固体电极，增强了它们在不同领域的应用性。该研究以题为“A Transparent, Patternable, and Stretchable Conducting Polymer Solid Electrode for Dielectric Elastomer Actuators”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

图1展示了P123DA/PEDOT:PSS电极的制备过程和方法。通过将不同比例的P123DA与PEDOT:PSS混合，利用光交联技术制备出具有弹性的聚合物基质，并通过氧气等离子体蚀刻实现电极的图案化。这一过程不仅展示了从基底到牺牲层再到电极层的完整制备步骤，还说明了如何通过调整P123DA与PEDOT:PSS的比例来优化电极的机械和电学性能，从而实现与常用的非固体电极（如碳脂）相当的驱动性能。

图1. P123DA/PEDOT:PSS电极的制备

【P123DA/PEDOT:PSS电极的电气和光学性质】

图2展示了P123DA/PEDOT:PSS电极的不同比例样品的电气和光学性质。实验测量了不同P123DA与PEDOT:PSS比例的电极的电导率，发现随着P123DA比例的增加，电导率呈现下降趋势。同时，电极的厚度也随着P123DA比例的增加而增加。在光学性质方面，所有P123DA/PEDOT:PSS电极均展现出超过95%的高光学透过率，其中R=10的样品在300至900纳米波长范围内的平均透过率达到了98%。这些结果表明，通过调整P123DA与PEDOT:PSS的比例，不仅可以调控电极的电学性能，还可以保持电极的高透明度，这对于实现电极在可穿戴设备和软体机器人中的集成具有重要意义。

图2. P123DA/PEDOT:PSS电极的电气和光学性质

【P123DA/PEDOT:PSS电极的形态和机械性质】

图3通过原子力显微镜(AFM)的纳米机械成像，研究了P123DA/PEDOT:PSS电极的形态和机械性质。图像显示，当PEDOT:PSS与P123DA混合时，由于相分离产生了纤维结构，且随着P123DA比例的增加，纤维密度在R=10时达到最高，之后随着比例的进一步增加密度有所下降。这表明在R=10时形成了最佳的纤维网络结构。此外，通过Derjagun-Muller-Toporov (DMT)模量测量，发现随着P123DA比例的增加，电极的模量从226 MPa降低至10.6 MPa，显示出更柔软的特性。这些结果揭示了通过调节P123DA与PEDOT:PSS的比例，可以有效地控制电极的形态结构和机械性能，为实现柔软、可拉伸的电子器件提供了重要的材料设计指导。

图3. P123DA/PEDOT:PSS电极的形态和机械性质

【P123DA/PEDOT:PSS电极的驱动性能】

图4展示了P123DA/PEDOT:PSS电极的驱动性能，包括在静态和动态测试中的面积应变测量。实验结果表明，R=10的电极在动态测试中表现出最大的面积应变，达到38.5%，而在静态测试中所有电极的应变均有所增加，尤其是R=10的电极，其面积应变超过了200%。与碳脂等非固体电极相比，优化后的P123DA/PEDOT:PSS固体电极展现出可比拟的驱动性能。此外，P123DA/PEDOT:PSS电极还能够实现复杂的图案化，如图中所示的花纹图案电极在3 kV电压下的表现。这些结果证明了通过调整P123DA与PEDOT:PSS的比例，所得到的固体电极不仅具有高透明度和良好的图案化能力，而且在电驱动性能上也具有显著的优势，为介电弹性体执行器的应用提供了新的材料选择。

图4. P123DA/PEDOT:PSS电极的驱动性能

【小结】

该研究通过将聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)与聚(乙二醇)-聚(丙二醇)-聚(乙二醇)(PEG-PPG-PEG)二丙烯酸酯(P123DA)结合，成功开发了一种透明、可图案化、可拉伸的固体电极。通过改变P123DA与PEDOT:PSS的比例，优化了电极的电学和机械性能，实现了在静态和动态驱动中柔软的固体电极。研究还发现，P123DA与PEDOT:PSS的比例影响着PEDOT:PSS纳米纤维的形成及其相关的电学和机械性能。此外，所得到的P123DA/PEDOT:PSS基固体电极展现出超过95%的卓越光学透过率。这项工作强调了调节不同固体电极属性的潜力，以实现透明、可图案化和可拉伸的固体电极，从而增强了它们在包括触觉技术、软体机器人和智能透镜在内的多个领域的应用性。

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来源：高分子科学前沿

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