软水凝胶转变为离子导体具有多种应用从人造肌肉到透明音频扬声器

研究人员决心制造可与皮肤，心脏和大脑等器官直接相连的可拉伸生物医学设备。然而，电子设备通常由与软组织不相容的硬质材料制成。来自新加坡A*STAR高性能计算研究所的ChoonChiangFoo和美国哈佛大学的研究人员正致力于通过柔软的透明凝胶解决这一困境，这种凝胶可以作为可拉伸设备的组成部分，这要归功于创新的离子传导机制。

Foo和同事们在研究一种有前途的“人造肌肉”技术(称为介电弹性体)时发现了他们的发现。这些装置将绝缘橡胶聚合物夹在两个导电电极之间，通常由微裂纹金属或碳脂制成。向电极施加电压会产生压力，导致内部聚合物膨胀。然而，大多数电极材料在经受高应变时开始失去导电性。

研究人员选择用软水凝胶代替电介质弹性体中的电极。水凝胶是透明且生物相容的材料，通常用于隐形眼镜，其将盐离子和水包封在聚合物护套内。更换电极需要克服两个众所周知的离子导体限制：它们相对于电子导体的速度慢，并且在高电压下会发生破坏性的电化学反应。

该团队的设置通过在两个水凝胶层之间放置一层薄的绝缘橡胶板来解决这些问题。通过微小电极发送到水凝胶的电信号导致在橡胶板的每一侧上快速累积带相反电荷的离子，导致夹层装置变薄并在整个区域上膨胀。此外，橡胶层具有非常低的电容，这导致橡胶上的大电压降并且使水凝胶屏蔽电化学反应，即使在千伏范围内也是如此。

为了展示其可拉伸离子材料的高频操作，研究人员制作了世界上第一个基于凝胶的透明扬声器(见图)。该设备可放置在智能手机或平板电视屏幕上，在整个可听范围内每秒共鸣数千次。

Foo的理论贡献对于理解这些弹性凝胶的新颖行为至关重要，他认为这项工作可能会导致工程师构思电子设备的方式发生根本转变。“由于现有的导体很难满足可拉伸应用的需求，设备设计人员可能会开始询问他们是否可以用离子导体代替电子导体，”他解释道。

“该设备可能会失去一些性能，但可能会获得其他属性，例如弹性，透明度和生物相容性。”

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