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  柔性電子元器件因其在可穿戴電子設(shè)備和電子皮膚等新興領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景而受到了廣泛的關(guān)注，導(dǎo)電水凝膠具有與人體組織相似的結(jié)構(gòu)，兼具柔性和導(dǎo)電性，可提供良好的人機(jī)接觸體驗(yàn)，是制備柔性電子器件的理想材料。然而，傳統(tǒng)水凝膠力學(xué)強(qiáng)度、可拉伸性以及回彈性都較差，制備具有良好機(jī)械性能同時(shí)兼?zhèn)涓邔?dǎo)電性的水凝膠一直以來都是研究的重點(diǎn)。另外，由于天然皮膚具有自愈能力和對(duì)多重外界刺激（如溫度、應(yīng)變和壓力）的感知能力，如何設(shè)計(jì)出具有優(yōu)異力學(xué)電學(xué)性能同時(shí)集成天然皮膚的多種功能性的水凝膠，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域以及提高其使用壽命，是近幾年導(dǎo)電水凝膠研究的熱點(diǎn)。

  最近，加拿大阿爾伯塔大學(xué)曾宏波教授課題組報(bào)道了一種具有高彈性、高拉伸性、自修復(fù)以及溫度響應(yīng)性的水凝膠應(yīng)變/壓力傳感器。該水凝膠 （縮寫為PAAFC-L）的制備是在分散有羧基化多壁碳納米管 （MWCNT）和醛基封端的PEO-PPO-PEO（F127-CHO）膠束以及溶有氯化鋰 （LiCl）的水溶液中，原位引發(fā)丙烯酰胺和氨基功能化單體（AEAM）共聚而實(shí)現(xiàn)的。其中，聚丙烯酰胺通過分子間氫鍵構(gòu)筑了該水凝膠的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，通過與AEAM的共聚，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了與MWCNT （通過靜電相互作用）和F127-CHO （通過席夫堿反應(yīng)）的良好界面相互作用，構(gòu)筑了緊密的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1. PAAFC-L 水凝膠合成及相互作用示意圖。

  該水凝膠具有良好的可拉伸性 （斷裂應(yīng)變1200%），如圖2a和b所示。并且具有優(yōu)異的抗疲勞性能和回彈性，其可被反復(fù)拉伸至10倍以上并幾乎完全回復(fù)原有強(qiáng)度和形狀 （圖2c）, 該水凝膠也可以在一定程度上抵抗尖銳物體的破壞（圖2d）。由于其交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)由動(dòng)態(tài)物理和化學(xué)鍵構(gòu)成，該水凝膠表現(xiàn)出良好的自修復(fù)性能（圖2e）。另外，由于F127-CHO膠束的溫敏性，該水凝膠的透明度隨著溫度改變可發(fā)生快速且可逆的變化，在常溫下是半透明，在人體溫度（37 °C）則變?yōu)橥耆该鳎▓D2f）。

圖2. PAAFC-L水凝膠的 （a，b）拉伸性能、（c，d）回彈性能、（e）自修復(fù)性能和（f）溫敏性。

  該水凝膠具有良好的導(dǎo)電性，電導(dǎo)率為3.96 S/m，其對(duì)拉伸應(yīng)變和壓力變化都有較高靈敏度。因此，該水凝膠被作為傳感器成功應(yīng)用于監(jiān)測人體的各種大幅度活動(dòng)和細(xì)微的生理信號(hào)，比如手指彎曲、聲帶振動(dòng)和脈搏跳動(dòng)，如圖3所示。值得一提的是，當(dāng)其用作監(jiān)測人體脈搏跳動(dòng)時(shí)，可以成功捕捉到運(yùn)動(dòng)前后脈搏波形的細(xì)微變化，這在現(xiàn)有水凝膠傳感器中是比較少見的。另外，作者將該水凝膠與睡眠眼罩結(jié)合，將制作的“智能眼罩”用來監(jiān)控睡眠，并在監(jiān)測人體快速眼動(dòng)睡眠（REM sleep）上取得了較高的敏感度和準(zhǔn)確性，如圖4所示。該水凝膠獨(dú)特的高彈性和自修復(fù)性能以及優(yōu)異的傳感性能為導(dǎo)電水凝膠的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了新思路。

圖3. PAAFC-L水凝膠柔性傳感器用于監(jiān)測（a）手指彎曲、（b）聲帶振動(dòng)和（c）脈搏跳動(dòng)， （d，e）運(yùn)動(dòng)前后脈搏波形變化。

圖4. PAAFC-L水凝膠傳感器用于監(jiān)測睡眠。

  這一成果近期以“Ultra elastic, stretchable, self-healing conductive hydrogels with tunable optical properties for highly sensitive soft electronic sensors” 為題發(fā)表在 Journal of Materials Chemistry A上，文章的第一作者是阿爾伯塔大學(xué)化工與材料系博士生武盟，通訊作者為曾宏波教授。

  論文鏈接： https://doi.org/10.1039/D0TA09735G