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  由于離子皮膚能夠模仿人體皮膚感應(yīng)多種外界刺激而在人工智能、柔性機器和可穿戴器件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。雖然離子皮膚相關(guān)的研究工作在近幾年得到了快速發(fā)展，但已經(jīng)報道的離子皮膚的感應(yīng)性能與人體皮膚仍有巨大的差距。人體皮膚具有自修復(fù)及抗疲勞性，能夠?qū)Ω鼘挿秶膲毫袄炀哂徐`敏的感知能力，且這種感知能力能在低溫下實現(xiàn)。在以往的研究工作中，為了獲得高靈敏度的離子皮膚，其制備主要基于柔性的、低模量的易拉伸材料聚合物材料。但是這些離子皮膚往往檢測范圍窄，低溫環(huán)境中會變脆，而且容易遭受疲勞和機械損傷。針對這些問題，吉林大學(xué)超分子結(jié)構(gòu)與材料國家重點實驗室的孫俊奇教授課題組報道了一種集高機械強度、高回彈性、優(yōu)異的自修復(fù)性、良好抗凍性、高靈敏度及寬檢測范圍于一體的水凝膠離子皮膚傳感器。

  他們將鐵離子配位的聚丙烯酸和聚丙烯酰胺在水溶液中進行復(fù)合，并收集所得到的聚合物復(fù)合物沉淀，壓制成水凝膠材料，最后將水凝膠浸泡于NaCl水溶液中，制備了PAAm/PAA-Fe³⁺/NaCl水凝膠離子皮膚。NaCl的引入在賦予水凝膠高的離子導(dǎo)電率（~0.72 S/m）的同時，還可以誘導(dǎo)聚合物鏈段收縮形成疏水相區(qū)，大大提高了水凝膠的力學(xué)強度和彈性。該水凝膠的斷裂強度和楊氏模量分別為~1.18 MPa和~0.33 MPa。斷裂的水凝膠在室溫下（相對濕度為80%-100%）可實現(xiàn)修復(fù)，修復(fù)效率達90%。同時，該水凝膠還展現(xiàn)出了優(yōu)異的回彈性和抗疲勞性能。當(dāng)水凝膠被拉伸到原長的3倍時，撤去外力后在室溫下放置4 min即可恢復(fù)至初始狀態(tài)。

圖1. PAAm/PAA–Fe³⁺/NaCl離子皮膚的制備過程和結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2. PAAm/PAA–Fe³⁺/NaCl離子皮膚的自修復(fù)性能(a)、彈性性能(b)和抗疲勞性能(c,d)。

  正是由于PAAm/PAA–Fe³⁺/NaCl水凝優(yōu)異的力學(xué)性能，基于它制備的離子皮膚可以同時擁有高的靈敏度及寬的應(yīng)變（0.2-500%）和壓力（0.1-10 kPa）檢測范圍。該離子皮膚可實現(xiàn)對人體運動和健康（手指彎折、脈搏等）的監(jiān)測。更重要的是，PAAm/PAA–Fe³⁺/NaCl離子皮膚優(yōu)異的自修復(fù)性能使其可以在溫和的條件下修復(fù)產(chǎn)生疲勞的離子皮膚和受機械損傷而斷裂的離子皮膚，并恢復(fù)其原有的傳感性能。

圖3. PAAm/PAA–Fe³⁺/NaCl離子皮膚的拉伸(a,b,c)和壓力（d,e,f）傳感性能。PAAm/PAA–Fe³⁺/NaCl離子皮膚作為可穿戴傳感器對手指彎折(g)和脈搏(h)的監(jiān)測。

  PAAm/PAA–Fe³⁺/NaCl水凝膠中所負載的NaCl可以有效降低水凝膠中水的凝固點至-25℃，使得離子皮膚具有良好的抗凍性能。離子皮膚在-14℃的測試條件下具有良好的柔性和彈性，展現(xiàn)出了穩(wěn)定可靠的拉伸和壓力傳感性能。離子皮膚的抗凍性能使它在寒冷的環(huán)境下仍然具有可靠的傳感性能，拓展了其應(yīng)用范圍。

圖4. PAAm/PAA–Fe³⁺/NaCl離子皮膚的抗凍性質(zhì)。(a,b,c)離子皮膚在-14°C下的柔性及彈性展示。離子皮膚的DSC曲線(d)及離子皮膚在-14°C環(huán)境下的拉伸(e)和壓力(f)傳感性能。

  PAAm/PAA-Fe³⁺/NaCl離子皮膚是目前報道的少數(shù)能同時具有優(yōu)異的自修復(fù)性能、良好的抗凍性和高靈敏度及寬檢測范圍的離子皮膚。該研究工作為制備具有良好傳感性能和長工作壽命的離子皮膚傳感器提供了一種有效的方法。

  以上相關(guān)成果發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A（DOI: 10.1039/c9ta13213a）。論文的第一作者為吉林大學(xué)博士生李思衡，通訊作者為吉林大學(xué)孫俊奇教授。

  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/c9ta13213a/unauth#!divAbstract