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長春工大呂雪團(tuán)隊(duì) Macromolecules：高韌性石墨烯基水凝膠在柔性傳感器中的應(yīng)用

2023-08-25 來源：高分子科技

在微電子技術(shù)迅速發(fā)展的時(shí)代，多功能可穿戴設(shè)備引起了廣泛的關(guān)注。水凝膠作為一種三維軟材料，具有類似于生物組織的兼容性和可供調(diào)節(jié)的理化性質(zhì)，在細(xì)胞載體、人工電子皮膚和可穿戴設(shè)備等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)化學(xué)交聯(lián)而成的水凝膠通常質(zhì)地較脆，無法經(jīng)受較大的形變，且功能單一，無法滿足水凝膠應(yīng)用的條件。因此，開發(fā)出一種多功能性的強(qiáng)韌導(dǎo)電水凝膠具有十分重大的意義。

圖1. PAM@SiO₂-NH₂/(ILs-GN)水凝膠的合成示意圖

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，長春工業(yè)大學(xué)呂雪副教授團(tuán)隊(duì)的謝婷同學(xué)在《Macromolecules》期刊發(fā)表名為“Simple Fabrication of Silica Amino Sphere-Reinforced Ionic Liquids/Graphene Conductive Hydrogel Sensors with Super Toughness, Self-Healing, and Strain Sensitivity Properties”的論文，研究提出了一種簡單有效的制備方法，采用自由基聚合法制備了PAM@SiO₂-NH₂/(ILs-GN)復(fù)合強(qiáng)韌水凝膠，來探索其作為人工皮膚傳感器在未來應(yīng)用的可行性。設(shè)計(jì)融合了丙烯酰胺（AM）、甲基丙烯酸月桂酯（LMA）、石墨烯（GN）、二氧化硅氨基球（SiO₂-NH₂）和氯化十六烷基-3-甲基咪唑（ILs）。值得注意的是，LMA、SiO₂-NH₂球和AM通過疏水結(jié)合和氫鍵在能量耗散中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，成為動(dòng)態(tài)物理交聯(lián)位點(diǎn)，構(gòu)建超強(qiáng)超韌的水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖2. PAM@SiO₂-NH₂/(ILs-GN)水凝膠的機(jī)械性能圖

圖3. a）PAM@SiO₂-NH₂/（ILs-GN水凝膠具有重塑能力，(b) PAM@SiO₂-NH₂/(ILs-GN) 水凝膠具有良好的自愈合性能，(c) 水凝膠愈合后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，(d) 相應(yīng)的愈合效率和應(yīng)力

圖4. 不同伸長率（0、50、100 和 200%）下燈管亮度變化的照片

圖5.PAM@SiO₂-NH₂/(ILs-GN)水凝膠組裝成可穿戴的應(yīng)變傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測人體的各種運(yùn)動(dòng)

研究發(fā)現(xiàn)PAM@SiO₂-NH₂/(ILs-GN)納米復(fù)合水凝膠具有15318%的高拉伸應(yīng)變和51.4 MJ/m³的超強(qiáng)韌性。此外，ILs還能促進(jìn)石墨烯的有效分散，從而在水凝膠中產(chǎn)生卓越的導(dǎo)電性和穩(wěn)定的電阻變化，導(dǎo)電性測量值為 12 mS/cm。該水凝膠還具有高靈敏度。當(dāng)作為應(yīng)變傳感器使用時(shí)，水凝膠能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測人體復(fù)雜的各種運(yùn)動(dòng)，捕捉大規(guī)模變形和微小的細(xì)微運(yùn)動(dòng)。這些研究結(jié)果表明，該水凝膠傳感器在柔性電子皮膚應(yīng)用方面具有巨大潛力，有望成為多功能傳感器和柔性電極的候選材料，在電子皮膚和人工智能領(lǐng)域具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性和潛在的應(yīng)用前景。

呂雪，吉林大學(xué)博士，研究方向包括但不限于柔性可穿戴傳感器件、功能膜材料等。歡迎報(bào)考碩士研究生。有意者請聯(lián)系lvxueccut@163.com。

課題組主頁：http://www.714744.com/ss/lvxue/index.html

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.3c00496

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（責(zé)任編輯：xu）

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