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陜科大白陽團(tuán)隊(duì)《Small》：可用于水下傳感的耐久型聚輪烷水凝膠傳感器

2024-10-11 來源：高分子科技

隨著人們?cè)黾訉?duì)游泳潛水等水下活動(dòng)的關(guān)注，水下信號(hào)傳輸和體感技術(shù)的發(fā)展需求也日益增高。柔性可穿戴傳感器可以捕捉和記錄實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，對(duì)保證水下安全起著至關(guān)重要的作用。與傳統(tǒng)的基于復(fù)合材料的可穿戴傳感器設(shè)備相比，導(dǎo)電水凝膠具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，如韌性、透明度、粘附性和良好的導(dǎo)電性，這些使其成為最有前途的水下可穿戴傳感器的候選材料之一。目前，盡管基于導(dǎo)電水凝膠的可穿戴傳感器在常規(guī)環(huán)境下已經(jīng)取得了一些重大進(jìn)展，但由于其在水生環(huán)境中的不穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)其在水下的應(yīng)用仍然是至關(guān)重要且極具挑戰(zhàn)性的。為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電水凝膠在水生環(huán)境中的使用，需要考慮保水性、抗膨脹性、韌性、黏附性、線性靈敏度傳感、長期使用等綜合性能，但這在以往的報(bào)道中卻很少見。

陜西科技大學(xué)白陽副教授團(tuán)隊(duì)提出了用陽離子單體和芳香單體以及聚輪烷基交聯(lián)劑制備導(dǎo)電水凝膠的方法。由于分子間陽離子-π相互作用和基于滑動(dòng)環(huán)的聚輪烷拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，導(dǎo)電水凝膠具有良好的力學(xué)性能、粘接性能和抗膨脹性能。基于滑環(huán)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有效地緩解了應(yīng)力集中。此外，植酸的封裝使導(dǎo)電水凝膠即使在室溫下直接放置240天后仍能保持其功能。值得注意的是，他們?cè)O(shè)計(jì)的導(dǎo)電水凝膠在探測陸地/水下人體運(yùn)動(dòng)方面都具有穩(wěn)定的線性靈敏度，并可以作為莫爾斯電碼信號(hào)發(fā)射器進(jìn)行信息傳輸。因此，此類導(dǎo)電水凝膠（AR-PR）在水下可穿戴傳感器領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用潛力。相關(guān)成果Cation‐π Interactions Based Conductive Hydrogels with Slide‐Ring Structure Toward Super Long‐Time in‐air/Underwater Linear Sensing and Communication于近期發(fā)表在《Small》。

圖1 聚輪烷導(dǎo)電水凝膠的設(shè)計(jì)制備及其性能研究

AP-PR導(dǎo)電水凝膠傳感器因其高導(dǎo)電性、柔韌性和自粘性能，展現(xiàn)出作為可穿戴應(yīng)變傳感器的潛力。基于滑環(huán)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)可有效減少應(yīng)力集中，確保在0-300%應(yīng)變范圍內(nèi)保持線性和穩(wěn)定的靈敏度（GF為2.72且具有線性效應(yīng)）。水凝膠傳感器在小應(yīng)變和大應(yīng)變循環(huán)中均表現(xiàn)出優(yōu)異的可逆性和響應(yīng)靈敏度，能夠準(zhǔn)確監(jiān)測膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和手腕等多個(gè)部位的運(yùn)動(dòng)，還能捕捉微小的肌肉動(dòng)作，如吞咽和表情變化等。陽離子-π和疏水相互作用的協(xié)同作用有助于實(shí)現(xiàn) AP-PR的抗溶脹性能，也使該水凝膠可以快速粘附在空氣中的各種基材上。此外，即使在水下條件下，粘接體系也很穩(wěn)定。得益于AP-PR的抗膨脹和粘接特性，其在水下能夠保持穩(wěn)定的導(dǎo)電性和抗干擾能力，可以在水下環(huán)境中監(jiān)測人體運(yùn)動(dòng)和捕獲電子信號(hào)。水下環(huán)境中，AP-PR在0-300%應(yīng)變范圍內(nèi)的線性靈敏度為0.78，能夠穩(wěn)定捕捉水下手指和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的電子信號(hào)，表現(xiàn)出優(yōu)秀的抗干擾能力。其穩(wěn)定性使得AP-PR能夠在復(fù)雜水下環(huán)境中檢測通過莫爾斯電碼傳輸?shù)挠鲭U(xiǎn)信號(hào)（SOS及UP）。

圖2 聚輪烷水凝膠的水下傳感和通訊應(yīng)用

值得注意的是，由于植酸與水分子的相互作用，AP-PR水凝膠傳感器可以限制水分子的蒸發(fā)，表現(xiàn)出優(yōu)異的保水能力。因此，AP-PR作為可穿戴傳感器，無論在空氣中還是在水下，都具有長期使用的能力。在室溫條件下直接放置240天后，AP-PR的重量仍保持穩(wěn)定，顯示出優(yōu)異的耐溫和保水能力。240天后，AP-PR水凝膠傳感器仍保持穩(wěn)定的線性GF為 2.001，仍然可以用于空氣和水下中的傳感。在空氣接收到大小應(yīng)變和人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，水凝膠傳感器也表現(xiàn)出良好的電信號(hào)可逆性和快速響應(yīng)性；且AP-PR在水下保持線性穩(wěn)定的GF為0.332。此外，在水下靜態(tài)狀態(tài)下檢測手指運(yùn)動(dòng)以及模擬水下干擾條件下傳輸莫爾斯電碼信號(hào)均表現(xiàn)出良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。AP-PR證明了水凝膠超長時(shí)間的保水性能以及在水下傳感應(yīng)用的潛力。與以往報(bào)道的基于導(dǎo)電水凝膠的同類傳感器相比，AP-PR在綜合力學(xué)性能、抗膨脹和保水性、穩(wěn)定的空氣和水下線性傳感性能、超長使用時(shí)間等方面均表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。

圖3 240天后聚輪烷水凝膠的空氣/水下傳感性能研究

陜西科技大學(xué)為本論文的唯一發(fā)表單位，論文通訊作者為陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院白陽副教授，主要工作由課題組碩士生師雨欣等人完成。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202406902

下載：Cation‐π Interactions Based Conductive Hydrogels with Slide‐Ring Structure Toward Super Long‐Time in‐air/Underwater Linear Sensing and Communication

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（責(zé)任編輯：xu）

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