在过去的十年中，利用在电解电子界面上出现的双电层（EDL）的超电容特性，出现了一种崭新的压力和触觉感应方式，即离子电子感应。除了薄而灵活的设备架构外，还具有高抗噪性，高分辨率，高空间清晰度，光学透明性以及对静态和动态刺激的响应。随着机器人智能，电子皮肤，可穿戴健康以及互联网的发展引起了学术界和工业界人对界面离子电子传感技术的兴趣。近日，南方科技大学郭传飞团队和加利福尼亚大学戴维斯分校潘廷瑞团队联合在《AdvancedMaterials》上发表了题为“FirstDecadeofInterfacialIontronicSensing:FromDropletSensorstoArtificialSkins”的综述文章。总结了离子电子传感技术在其最初十年中的最新发展，并且为该领域的下一波创新和突破提供技术路线图。
根据文章的结构，作者对离子电子传感技术机制，材料，结构和应用，做了系统的解说（图1）。图1离子电子传感技术的机制，材料，结构和应用。[离子电子传感技术的机制]离子电子感应器的原理主要是建立在离子电子触点之间的EDL层以及接触面积的变化上。为了实现对感官结构中的电容变化的检测，变得有必要在接触区域中采用机械感应的变化。因此，在这种类型的传感器设计中，对具有机械弹性和可逆性的离子电子界面的精细控制已成为关键考虑因素。基于诱导界面面积变化的基本机制，可以将现有的电子器件结构分为以下几类:具有液滴形式，薄膜形式，纤维形式以及材料的结构弯曲模型-离子电子传感器设计的弹性模型（图2）。其中界面接触区域的EDL电容（CEDL）可以通过材料可变电阻元件连接的两个可变电容器，其主要受电容器的几何形状控制。此外，附加电容变化（CPE）可能导致在平行所述两个电极的表面，类似于经典的平行板电容的电耦合，它的大小主要与电极之间的距离有关。因此，离子电子传感器的关键性能主要取决于CEDL的压力控制EDL电容。现在比较流行一种结构是传感设计类似于与平面接触的球形拓扑结构（图2d）。这种设计需要在电极的一侧制备结构化的离子弹性体，另一侧的电极用作界面感应触点。使得这种感应模态的等效电路与结构弯曲模型中的固-固接触相同，在离子涂层-电极界面处有一个固定电容器，从而增加了超高单位面积电容（UAC）和相对应的灵敏度。但是总的来说，结合多种物理原理来实现其界面接触面积的变化是未来发展的趋势。图2电子器件结构示意图和等效电路[离子电子传感技术的材料]为了实现传感设备的机械稳定性，最近的发展重点放在其他软物质形式上，例如离子凝胶和其他高分子化合物。这些软物质中的大多数经过设计可扩展类似于固体的某些物理性质，从而简化制造过程并提高机械稳定性，同时保持材料的离子性质，并在立即液-电极接触时形成带电的EDL层。材料的分类可以分为：液体离子材料，固态离子材料和天然离子材料（图3）。图3离子电子传感技术的材料的分类。其中液体离子材料可分为水性电解质和非水性电解质。相对于与非水性电解质来说，由于水性电解质会受到环境蒸发影响等原因，导致稳定性不理想，使用到的地方不普遍。原则上，优秀的电解质应具备低粘度的高沸点的特性。但是这两种物理性质均源于分子间的相互作用并与之成正相关，例如在水性电解质中加入NaC可以显示出极高的UAC（4.5μFcm-2），同时为了保持UAC稳定在电解质溶液中添加甘油可以减少水的蒸发，这会降低水的蒸汽压，并减少空气中的水分吸收。但是，这也导致液体的粘度从1.0Pas增加到60.1Pas，这可以将传感器的机械响应时间从20ms显着延长到ms。所以如何结合两种特性是一种挑战。而作为一种较新的材料离子液体可以解决这一问题。离子液体具有低蒸气压，液态的宽温度范围，高化学热稳定性，宽的电化学电势范围，高的离子电导率以及在各种有机或无机溶剂中的良好溶解性。比如使用图4b中的有机材料作为传感材料，表现出最高的电导率（18mScm-1）和最低的粘度（18Pas），并且所制造的传感器具有0.43nFkPa-1的超高机械电灵敏度和高达Hz的快速机械响应。总体而言，离子液体具有高离子电导率，宽的电化学窗口，低饱和蒸气压和高环境稳定性，可以成为液体离子电子压力传感器中最有希望的传感材料之一。图4非水性电解质材料虽然液体离子电子传感器具有良好的性能，但是由于自身的机械稳定性和材料加工性能较差，使得活性离子材料的固体形式最近在研究中引起了广泛的兴趣。其中，由于柔性电子技术的发展对软离子导体的需求，离子凝胶最近在学术研究中成为一个有吸引力的话题。可以通过两种直接的方法来制备离子凝胶：第一种方法是化学交联包含离子液体（IL）和可交联单体碱的混合物以形成离子凝胶；第二个使用的IL直接混合用热塑性极性聚合物显示出高相容性。另一种固态离子材料聚电解质的一个主要优点是，聚电解质中可用的移动离子化学键合到其聚合物链上，而不会出现离子从其网络泄漏的潜在问题。但是也存在一个问题，聚电解质的离子电导率通常取决于离子化物质（例如H+）在其聚合物基质中的迁移率。所以首先，必须解决低离子电导率问题，其次，必须考虑对环境湿度敏感的化学稳定性。大多数从自然界中获得的材料都是离子性的，例如木材，动物组织和血液。而动物和人的皮肤含有大量带有各种电解离子的组织液，可使其成为高导电性材料。有趣的是，来自人类皮肤不同部位的UAC被证实高达10nFcm-2，表皮离子电子设备显示出与人工模拟设备相当的传感性能，具有5nFkPa-1的高设备灵敏度，亚毫秒级的机械响应以及在00次加载循环中的长期稳定性。假如将皮肤用作离子电子传感器的一部分，这无疑是接下来的重点研究材料。[离子电子传感技术的结构]在评估压力传感器的准确性和有效性时，灵敏度是最重要的参数之一。电容式压力传感器的灵敏度通常定义为S=δ（ΔC?/C0）/δP其中ΔC=C-C0指的是电容变化。更高的灵敏度意味着较大的输出到输入比其通常必要的较大ΔC用于在小的变化P，同时最小化C0。在实践中，通过采用离子电子传感机制并优化结构而不是降低材料基质的弹性模量也可以提高灵敏度。结构弯曲模型可以根据其压力响应架构分为小滴格式，薄膜格式和纤维格式。由研究可得，对于小滴格式需要更薄的腔室和更大的液滴；对于薄膜格式需要使用更大的传感器几何形状，更薄的传感膜以及更薄的垫片以及对于纤维格式需要具有较低初始纤维体积分数（即较低的纤维密度）的纤维组件都可以提高传感器的灵敏度。而在过去的十年中，对具有微结构的介电层进行工程设计在提高灵敏度方面显示出了广阔的前景。在新兴的研究中已经证明的，微结构化表面包括一个宽范围的表面形貌可以不同程度的提高灵敏度，比如：半球阵列，金字塔阵列和凹阵列等等（图5）。但是，根据表面底切或沟槽实现的内部填充标准，这些微观结构可以归类为不可内部填充的结构，当压力增加时，这些结构不可避免地会出现结构变硬。所以这些微结构在高压状态下不具有较大的灵敏度，如何提高在高压状态下同时具有高灵敏度，将是接下来的研究重心。图5具有不同微观结构的电离压力传感器[离子电子传感技术的应用]离子电子传感器因其独特的传感原理，材料特性和设备结构而具有许多优势。这些优势不仅使离子电子传感器能够满足人体可穿戴系统的要求，而且还为可穿戴式传感应用提供了独特的传感方式，尤其是在健康和医疗领域，对人体信息的需求不断增长。重要应用领域包括：环境交互作用（图6），健康监测和运动识别（图7）。在上面列出的应用中，离子电子传感不仅是一种收集压力值的花哨的高灵敏度传感器。在结合医疗应用场景下进行数据分析可为获取的数据增添价值，从而为医疗保健提供者和用户提供更强大的工具，用于即时医疗或远程医疗管理。图6离子传感的环境交互作用应用。图7离子传感的健康监测和运动识别应用。结合全文，作者对未来离子电子传感器的方向做出了自己的建议：1.通用的离子材料适应性选择可以促进离子活性材料扩展到许多传统材料类别，并使经典产品能够升级为具有压敏性的皮肤或具有更高级的触感。2.生物相容性是电子传感的另一个未充分利用的特性，大多数生物材料本质上都是离子材料，因此，天然材料可以作为离子器件结构的一部分。3.光学透明度代表了探索电子离子传感的另一种独特机会。同时也指出目前遇到的问题：1.由于离子响应于电场的方向变化而相对缓慢地运动所致，所以需要在研究要考虑电离电子设备的频率弛豫的限制。2.需要研究并彻底解决器件结构的材料寿命和离子电子材料的电化学稳定性以及传感器开发的其他产品要求（例如温度和湿度变化）的问题。参考文献：Chang,Y.;Wang,L.;Li,R.;Zhang,Z.;Wang,Q.;Yang,J.;Guo,C.F.;Pan,T.,FirstDecadeofInterfacialIontronicSensing:FromDropletSensorstoArtificialSkins.AdvMater,e.来源：高分子科学前沿声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！投稿模板：单篇报道：上海交通大学周涵、范同祥《PNAS》：薄膜一贴，从此降温不用电！系统报道：加拿大最年轻的两院院士陈忠伟团队能源领域成果集锦历史进展：经典回顾聚集诱导发光的开山之作：一篇《CC》，开启中国人引领世界新领域！高分子科学前沿