【仪表网 研发快讯】基于Grotthuss跳跃机制的质子导体在形变传感领域具有独特优势。与依靠金属离子或离子液体等载荷离子扩散迁移的传统形变传感电解质不同，Grotthuss机制通过氢键网络的连续重构来实现质子传导，显著降低了质子迁移的能垒。这一特性使质子导体在低温或高频形变等苛刻环境下仍能保持稳定的传导性能，克服了传统传感材料在极端工况下信号失真的不足。特别是在动态形变监测中，氢键网络的快速重构确保了质子传导与机械变形的实时同步响应，改善了常规传感材料在快速机械刺激下的信号迟滞。这些特性使质子导体成为实现超快响应形变传感的理想候选材料。然而，高效的质子传导机制导致体系对外界机械刺激的响应信号强度不足，造成传导效率与响应灵敏度之间的矛盾，是制约质子导体在形变传感领域实际应用的关键科学问题，亟需通过创新材料设计策略予以突破。
针对上述难题，李昊龙教授团队提出了基于层状液晶结构的响应增强策略。通过调控多金属氧簇(SiW)与共熔导向分子(HPS)及结构导向分子(IBS)间的超分子组装行为及共熔效应，制备了具有有序层状纳米通道的液晶质子导体。研究通过优化体系的静电与氢键作用，实现了质子传导性与形变响应性的协同提升。分子动力学模拟表明IBS/HPS分子在SiW团簇周围发生自组装微相分离，形成了具有交替排列特征的层状超晶格结构，为质子传输提供了高度定向的传导路径。该结构在维持良好质子传导性能(30℃，7.94×10-4S cm-1)的同时，表现出灵敏的形变响应特性。而且，该类液晶质子导体可以与弹性聚合物织物复合制备柔性可拉伸电解质，在100%拉伸应变条件下可实现高达340%的电阻变化率(ΔR/R)，其灵敏度系数(GF)达到3.7，较传统均相电解质材料提升超过5倍。
该研究通过层状液晶通道设计，将结构有序性与动态响应性在质子导体中有效结合，解决了质子导体传感信号强度不足的问题，为发展高灵敏柔性形变传感器提供了新策略，相关设计理念可拓展至其他功能离子导体的开发，在可穿戴设备等领域具有广阔应用前景。上述成果以"Nanocluster-Based Liquid Crystal Electrolytes for Deformation-Responsive Proton Conductors"为题发表于Nano Letters(DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c02003)。吉林大学鼎新博士后柴圣超为第一作者，李昊龙教授为通讯作者。
图1. (a)层状液晶质子导体的设计与微相结构；(b, c)在不同应变下的相对电阻变化率及灵敏度。
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