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南開大學孫平川研究員/伍國琳副教授團隊《Mater. Horiz.》：新型超韌、高靈敏度水凝膠傳感器的構建

2022-10-10 來源：高分子科技

水凝膠傳感器，也被稱為 "電子皮膚"，因具有類似于人體組織的優良機械和生理特性，而被廣泛應用于包括健康監測、運動識別和信息加密傳輸等領域，并有望成為下一代柔性可穿戴設備。然而，這些離子導電水凝膠材料通常表現出低韌性、有限的響應性，以及在反復形變下信號檢測的快速衰減。此外，為適應復雜溶劑環境并保持其穩定性，抗溶脹性能也是必要的。因此，制備具有超高韌性、快速響應性和抗溶脹性的水凝膠傳感器將會是未來可穿戴設備的發展趨勢。

受生物組織多尺度非均質結構啟發，南開大學孫平川/伍國琳團隊，利用多重非共價相互作用匹配原理和逐步構建策略，成功制備了一種具有抗溶脹特性的動態交聯、超韌和高靈敏度的水凝膠傳感器。該水凝膠具有優異的力學性能，包括斷裂伸長率（>2000%）、韌性（~60 MJ×m^-3）和恢復率（>88.2%）。值得注意的是，即使在不同pH值（2-11）和溶劑的溶液中，也表現出良好的抗溶脹性能。此外，由于動態離子(Fe³⁺， Na⁺， Cl^-)的存在，該水凝膠進一步表現出快速響應性（47.4 ms）和高靈敏度。因此，可以實現對人體不同運動狀態的監測，以及根據摩斯密碼表實現對信息的加密解密，為開發具有多功能傳感功能的離子導電水凝膠提供了一種可行的解決方案。

圖1 (a) BA-A和P(AM-BA-A-AA)的合成路線。(b) 雙網絡動態交聯水凝膠的制備過程示意圖。

圖2 (a)低場MSE-FID NMR信號;(b)歸一化DQ強度與DQ激發時間的函數關系;(c)對歸一化DQ曲線擬合得到的D_res分布曲線;(d) P-水凝膠，(e) C-水凝膠，(f) E-水凝膠的SEM圖像。

圖3 (a)字母、數字和符號表中摩斯密碼的相應符號;(b)手指彎曲相對電阻的變化及對應摩斯密碼記錄點和線;(c)記錄不同英文字母，(d)短語“I LOVE NKU”以及不同數字和符號。

水凝膠非均質網絡結構是由“柔性”疏水共軛微區結構域與分子間/分子內氫鍵、π -π堆積以及通過強離子配位相互作用形成的“剛性”交聯結合而成，可逆交聯的協同作用和剛柔組分含量的變化實現了對水凝膠結構靈活有效的調控。此外，強配位相互作用和疏水聚集的引入也賦予其優異的抗溶脹性能，流變學和質子多量子（MQ）核磁共振波譜系統地驗證了材料的粘彈性行為和異質結構演化規律。該水凝膠具有高靈敏度（GF=0.862）、快速響應性和循環穩定性，結合摩斯密碼，能夠實現信息加解密領域的應用。因此，這項工作為制備柔性可穿戴設備和擴展在生物傳感器、健康監測和信息加密傳輸中的應用提供了新的視角。

相關研究成果以“Bio-inspired, Ultra-tough, High-Sensitivity, and Anti-swelling Conductive Hydrogel Strain Sensor for Motion Detection and Information Transmission”為題發表在國際著名期刊Materials Horizons。南開大學孫平川研究員和伍國琳副教授為該文章的通訊作者，南開大學博士邸祥為本文第一作者（目前就職于華北電力大學環境科學與工程系）。

原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2022/MH/D2MH00456A

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（責任編輯：xu）

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