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燕大焦體峰、秦志輝/UCLA賀曦敏 AFM：高延展性、低滯后、黏附性TA@MXene-復(fù)合有機(jī)水凝膠應(yīng)用于高穩(wěn)定柔性可穿戴傳感器

2024-03-28 來源：高分子科技

隨著可穿戴傳感器的快速發(fā)展，對于集高拉伸性、回彈性、粘附性和長期環(huán)境穩(wěn)定性于一體的多功能導(dǎo)電軟材料的需求越來越高。納米復(fù)合水凝膠，尤其是MXene復(fù)合水凝膠，由于其高拉伸性和靈敏性，是構(gòu)建柔性可穿戴傳感器極具前景的材料。然而，由于MXene納米片的易氧化及MXene與聚合物網(wǎng)絡(luò)間的弱結(jié)合力，構(gòu)建滿足上述所有要求的MXene復(fù)合凝膠，尤其是大拉伸應(yīng)變下的低滯后仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

基于此，燕山大學(xué)焦體峰教授課題組秦志輝副教授與UCLA賀曦敏教授合作報(bào)道了一種具有高拉伸、低滯后和環(huán)境穩(wěn)定性等綜合性能的MXene復(fù)合有機(jī)水凝膠，同時(shí)具備自粘附性和生物相容性，并探究了其在應(yīng)變傳感和溫度傳感方面的應(yīng)用潛力。在該體系中，作者提出了一種界面工程策略，即引入具有高密度羥基的單寧酸（TA）將MXene封裝，形成穩(wěn)定的TA@MXene納米基元，同時(shí)多羥基的存在增加了TA@MXene與聚合物網(wǎng)絡(luò)之相互作用，形成高密度氫鍵交聯(lián)結(jié)構(gòu)。所制備的有機(jī)水凝膠表現(xiàn)出高拉伸性（＞500%）、低滯后性（＜3%）和優(yōu)異的抗疲勞性。此外，由于甘油/水二元溶劑體系的存在，有機(jī)水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的抗凍性（?40 °C）和抗失水性能（> 7天），確保了其在長期使用和極端條件下的穩(wěn)定性能。另一方面，由于鄰苯二酚基團(tuán)的存在，有機(jī)水凝膠也具有高的粘附性。得益于這些優(yōu)異的性能，基于有機(jī)水凝膠的傳感器表現(xiàn)出高應(yīng)變靈敏度，在寬溫度下具有大的工作范圍，高可靠性和耐用性，以及高溫度敏感性。因此，所構(gòu)建的柔性可穿戴傳感器用于準(zhǔn)確檢測不同模式下的人體運(yùn)動(dòng)和具有高重復(fù)穩(wěn)定性的心電圖信號(hào)以及體溫檢測能力。此外，本工作中構(gòu)建的TA@MXene納米基元可以引入多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，制備高強(qiáng)度的MXene復(fù)合凝膠，成為智能傳感方面有前景的應(yīng)用材料。

圖1 PHEA-TA@MXene有機(jī)水凝膠的制備和表征

圖2 PHEA-TA@MXene有機(jī)水凝膠的力學(xué)性能探究

圖3 PHEA-TA@MXene有機(jī)水凝膠的環(huán)境穩(wěn)定性

圖4 PHEA-TA@MXene有機(jī)水凝膠的應(yīng)變傳感性能及作為可穿戴傳感器的應(yīng)用

圖5 PHEA-TA@MXene有機(jī)水凝膠的溫度傳感性能及應(yīng)用

總之，通過界面工程策略，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了構(gòu)建高拉伸高彈性MXene復(fù)合凝膠的新方法，這為未來構(gòu)建高性能納米復(fù)合凝膠及其應(yīng)用拓寬了方向。

以上研究成果近期以“Highly Stretchable, Low-Hysteresis, and Adhesive TA@MXene-Composited Organohydrogels for Durable Wearable Sensors”為題發(fā)表在國際知名期刊《Advanced Functional Materials》（DOI：10.1002/adfm.202315813）。燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院碩士生劉穎為文章第一作者，通訊作者為燕山大學(xué)焦體峰教授、秦志輝副教授及UCLA賀曦敏教授。此研究得到國家自然科學(xué)基金和河北省自然科學(xué)基金等資助支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202315813

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（責(zé)任編輯：xu）

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