導電水凝膠由于導電性好、自修複效率高、可拉伸性強，為柔性應變傳感器的應用提供了許多機遇。然而，大多數報道的導電水凝膠仍然存在一些缺陷，例如，極端溫度适應性差、易失水且不可回收利用，不能滿足長期穩定傳感應用的需要。此外，大規模制備時成本高、對環境不友好。是以，使用可降解和可回收的原料制備具有多種功能特性的導電水凝膠仍然是一個挑戰。
作為國家級非物質文化遺産的面塑，是以小麥粉、糯米粉、水和甘油為主要原料，加入不同色彩，用簡單工具就能捏塑成各種栩栩如生形象的手工技藝。随着時代的發展，面塑工藝品與時俱進，在新時代仍煥發出勃勃生機，具有防潮、耐存放、不易發黴、不易開裂、色彩豔麗、造型優美等特點。受面塑制作工藝的啟發，針對傳統電子材料不可循環利用的問題，曲阜師範大學陳威副教授、李楠副教授和研究所學生邱麗媛聯合齊魯工業大學（山東省科學院）生物基材料與綠色造紙國家重點實驗室吉興香教授，将傳統面塑與前沿的科學研究相結合，以面粉、水和氯化膽堿/甘油低共熔溶劑（ChCl/Glycerol DES）為原料制備出了一種新型的多功能“離子面團”（Ionic Dough），所制得的離子面團具有高導電性（3.7 mS·cm−1）、良好的耐低溫性、持久的保濕性（24天後重量仍保持80%）、可靠的自修複效率（95%）、優異的抗菌性和生物降解性（30天内可完全降解），為新一代綠色電子器件的制備提供了一種新政策。
本工作首先以氯化膽堿為氫鍵受體，甘油為氫鍵供體，制備了低共熔溶劑（DES）。再将DES、水、小麥粉和糯米粉通過混合、蒸制、揉捏等傳統面塑制作工藝，制備出了多功能的離子面團（圖1）。
圖1 離子面團的設計及制備流程
研究團隊評估了離子面團的抗凍與保水性能（圖2）。通過DSC測試了不同低共熔溶劑含量的離子面團的冰點，證明了加入DES可以有效防止冰晶的形成，且随着DES含量的增加，離子面團的抗凍能力增強，在−20 ℃下放置3天後，離子面團仍然保持柔軟狀态。此外，在室溫下（20 ℃，50% RH）放置24天，傳統面團由于水分流失裂成碎塊，而離子面團仍可保留初始含水量的85%。
圖2 離子面團的抗凍性與保水性
圖3展示了離子面團的自修複性能。由于分子間氫鍵的互相作用，離子面團在損傷後可以通過重組非共價氫鍵進行快速自修複。在光學顯微鏡下觀察離子面團的自修複過程，在沒有外界作用的情況下，離子面團在1小時内可以完全修複。通過切割-修複過程中的實時電阻變化和連續階躍應變測試驗證了離子面團的自修複行為，結果表明離子面團具有優異的自修複性能。
圖3 離子面團的自修複性
通過使用大腸杆菌（E.coli）和金黃色葡萄球菌（S.aureus），團隊對離子面團的抗菌活性進行了評估（圖4）。結果表明，相比于傳統面團，離子面團表現出出顯著的抗菌活性，能夠抑制細菌生長。這主要是由于DES中的氯化膽堿作為一種季铵鹽，能夠破壞帶負電荷的細菌外膜，使其内容物滲漏，進而導緻細菌死亡。此外，将面團薄片埋在濕潤的土壤中，在微生物的作用下該面團可以逐漸降解，并于30天後完全消失，證明了離子面團良好的可降解性能。
圖4 離子面團的抗菌性與可降解性
基于優異的導電性，離子面團可作為導體來點亮LED燈泡，還可進一步應用于柔性Cu-Zn電池和電緻發光器件。作者測量了含水量對離子面團電導率的影響：當水的含量從0增加到50 wt %時，離子面團的電阻從355 Ω降低到45 Ω，電導率從0.54 mS·cm−1增加到3.7 mS·cm−1。進一步研究了溫度對電導率的影響：當溫度從−40 ℃增加到100 ℃時，離子面團的電導率從2.8 mS·cm−1增加到4.4 mS·cm−1，表明了離子面團作為柔性電子器件在極端溫度下應用的可行性（圖5）。
圖5 離子面團的導電性
作者将離子面團組裝成可穿戴式應變傳感器監測人體活動（圖6）。由于出色的靈敏度和持久穩定的特點，基于離子面團的可穿戴式應變傳感器可以準确記錄人體的大應變信号以及小應變信号，即使是在極端溫度下也能正常工作。是以，本研究有望提供一種新的、環保且有前途的多功能電子和傳感裝置的制備政策。
圖6 基于離子面團的應變傳感器
這項研究以“Engineering Ionic Dough with a Deep Eutectic Solvent: From a Traditional Dough Figurine to Flexible Electronics”為題發表在國際高水準期刊《Chemistry of Materials》上。北京科技大學王曉慧教授給出了很多建設性的指導。感謝國家自然科學基金、山東省自然科學基金、齊魯工業大學（山東省科學院）生物基材料與綠色造紙國家重點實驗室開放基金對本工作的支援。
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https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c01761來源：高分子科學前沿-Early View