近日，西安交通大学丁书江教授领衔的研究团队在自然出版集团旗下期刊NPG Asia Materials上发表了题为“Dielectric gels with ultra-high dielectric constant, low elastic modulus and excellent transparency”的论文。西安交通大学卢同庆教授以及深圳大学第一附属医院谭回研究员为共同通讯作者，文章第一作者为西安交通大学理学院博士生石磊。该文章被选为期刊亮点文章（Featured article），在网站首页（Top page）上进行展示。在文章的接收函中,编辑写道“Your paper is considered to be a significant contribution to the field, and we appreciate the opportunity to publish it in this journal”。凝胶是一种含有大量溶剂的三维聚合物网络体系，具有高弹性和透明性的特点。

  本研究提出介电凝胶这一新材料体系，将锂电池电解液中常用的高介电常数溶剂碳酸丙烯酯（PC）以及碳酸乙烯酯（EC）作为凝胶的溶剂，ACMO作为聚合物单体，制备出的介电凝胶实现了：超高的介电常数（30~50），较低的弹性模量（20 KPa~60 KPa）以及优异的透明性（99%，100um）。此外，这种介电凝胶显示出较高的拉伸性（拉伸倍数约10）和较低的机械滞后性。电驱动实验表明，与通用的介电弹性体VHB4905相比，此介电凝胶在相同驱动应变下所需的驱动电压减少了一半。此外，研究人员以介电凝胶为基础，制备出可以通过电压来快速调焦的“人工眼球”。

图1 介电凝胶的基本设计和制造过程。(A) 电介质凝胶的示意图。其中凝胶体系中的聚合物链和溶剂均为电介质材料。(B) 组成成分： 4-丙烯酰吗啉单体(ACMO); N，N''''-亚甲基双(丙烯酰胺)交联剂，(MBA); 1-羟基环己基苯基酮光引发剂;碳酸亚丙酯(PC)和碳酸亚乙酯溶剂(EC)。(C) 介电凝胶的制造过程： 通过光引发聚合在几分钟内合成凝胶。(D) 用于展现良好拉伸性和高透明度的介电凝胶照片。上图为未拉伸状态的凝胶，下图为拉伸状态的凝胶。

图2介电凝胶的性能展示，其中聚合物和溶剂含量各自固定在50％质量比。(A) 不同交联剂含量(与标记的单体的摩尔比)的电介质凝胶的应力—应变曲线。每个凝胶被拉伸至破裂。(B) 弹性模量(由应变为10％的应力—应变曲线计算)和断裂应变与交联剂含量的影响关系。 (C) 电介质凝胶的循环加载(交联剂含量为0.15％)。初始加载循环设定为应变100％，在加载卸载循环后，样本在第二个循环中立即重新加载至应变300％，然后在第三个循环中应变500％。(D) 不同体积比PC以及EC / PC溶剂的介电凝胶的介电常数与测试频率的关系图。 (E) 不同体积比PC以及EC / PC溶剂的介电凝胶的介电损耗因数测试频率的关系曲线。 (F)在可见光范围内1mm厚的电介质凝胶的透射率测试。

图3. (A) 不同材料的介电常数(测试频率，1KHz)于弹性系数对比图。(B) 不同材料的介电常数(测试频率，100KHz)于透明度对比图。

图4. (A）介电凝胶(左)和VHB 4905(右)的电压诱发变形。两种材料具有相同的原始直径和厚度。(B) 80％聚合物含量的电介质凝胶在室温下的施加电压函数的应变幅度图。(C) 室温下不同聚合物含量的介电凝胶的施加电压函数的应变幅度图。(D) 由介电凝胶制备的生物感应隧道透镜展示。透镜的焦距可以通过改变施加的电压来调节。

  该工作成功设计并合成出一种新型的聚合物基介电材料。制备出超高介电常数，低弹性模量和优异透明度三种特性的凝胶材料。并且此凝胶呈现出高拉伸性(拉伸约为10)，低机械滞后的特性。此外作者还通过制造一个简易的生物激发可调透镜展示出此介电凝胶的使用，其焦距可以通过改变所施加的电压来调节。介电凝胶能够为软机器人，传感器，电子设备，光学设备以及仿生学设备提供了广阔的应用前景。

  本研究由国家自然科学基金项目（编号：51773165, 61704096），中央高校基本科研业务费（xjj2015119）和深圳市科技创新委员会(JCYJ 20170817171930009)资助。