机械能-电能转换（机电转换）技术在智能传感器、能量收集、可穿戴电子、生物医学电子等领域有重要应用。尽管许多先进的机电转换机制如电磁感应、压电效应、挠曲电效应和摩擦电效应等，取得了显著的研究进展。但随着人机交互界面和可植入式电子技术的快速发展，越来越多的研究者开始转而探索利用柔软和生物相容的离子型材料来替代上述机电转换机制。
离子压电效应是聚合物电解质中阳、阴离子在梯度变形的诱导下产生离子极化，从而产生高离子电流。这种新型发电机制在生物相关应用中具有良好前景，因为它的产生过程与生理电类似；同时，柔性离子压电材料在功能和性能上都具有良好的可设计性。然而，目前报道的离子压电器件主要基于感应电场方向与施加力方向垂直的d31模式（如图1c），限制了器件的可设计性和应用场景。此外，较低的电输出也阻碍了离子压电器件的实际应用。其内在原因是，尽管电解质材料体相中离子浓度较高，但在电极界面处变形引起的不平衡离子所占的比例较低，而且与传统介电材料中固定的极化电荷不同，极化离子一般是可自由移动的。由于离子压电器件的研究尚处于起步阶段，迫切需要普适性策略和精细的材料设计来丰富器件模式和提高电输出。近期，北京纳米能源所王中林院士&蒲雄研究员团队与北大口腔医院李峥副主任医师联合报道了一种软骨仿生的多梯度水凝胶来增强d33模式下的离子压电效应。受关节软骨的机械-离子电转化启发，设计了具有多梯度结构的d33离子压电水凝胶，并将电输出提高了一个数量级以上。具体而言，通过设计几何梯度和模量梯度来放大由变形引起的对流离子电，再引入电荷梯度来扩大阴、阳离子的迁移速率差异。综合三种梯度结构的协同作用，多梯度离子压电水凝胶在均匀压缩下的电输出显著提高，d33系数达到27.9 μC N-1。进一步制备了离子压电水凝胶阵列，实现了离子电刺激促进伤口修复的应用。我们提出了增强离子压电效应的普适性策略和实用的材料工程方法，这将极大地促进其未来在相关领域的应用。该研究工作以题为“A d33 piezoionic hydrogel with bioinspired multi-gradient structure for enhanced mechano-iontronic transduction”发表在国际顶级学术期刊Nano Energy上（IF=16.8）。论文共同第一作者是李隆伟博士和博士生邵阳市，通讯作者为李峥副主任医师、王中林院士和蒲雄研究员。该研究得到国家自然科学基金、中国科学院、中央高校基本业务经费和口腔疾病研究国家重点实验室开放课题的支持。图1软骨仿生的多梯度水凝胶增强d33模式离子压电效应该工作是蒲雄团队关于机械-离子电效应相关研究的最新进展之一，该团队前期首次报道了基于离子摩擦电效应的机电能量转换技术，实现了百伏级的电学输出（Sci Adv 2017, 3, e1700015），已被引用1100余次；报道了仿生离子电感受器，实现了非接触的接近觉传感，开拓了现有的物理接触电子皮肤的感知模式（Sci Adv 2022, 8, eabo5201）；近期，团队进一步报道了一种非对称界面结构的离子压电水凝胶发电机（Nat Commun 2024, 15, 1494），实现了高电流输出、低内阻、高转移电荷量；并提出了基于水凝胶材料的挠曲离子电极化新机制，实现了创纪录的挠曲电系数（Adv. Mater. 2024, 36, 2403830）。https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110477