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  智能仿生皮膚因其巨大的應(yīng)用潛力而引起了人們的廣泛關(guān)注，近年來，以離子和電子作為信號(hào)傳輸載體的各種仿生皮膚發(fā)展非常迅速。尤其是以水凝膠為基體的柔性導(dǎo)電材料更為人們青睞，但是基于凝膠態(tài)的仿生皮膚一直存在綜合性能不高和感知功能不足的問題。

圖1 仿生多孔結(jié)構(gòu)水凝膠制備的機(jī)理圖

  鑒于此，天津大學(xué)封偉教授團(tuán)隊(duì)從海綿生物的結(jié)構(gòu)獲得靈感，提出設(shè)計(jì)了一種仿生多孔結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電水凝膠。這種水凝膠的制備主要源于鎵基液態(tài)金屬的化學(xué)活性。如圖1所示，以丙烯酸作為反應(yīng)單體，鎵基液態(tài)金屬一方面能夠催化過硫酸銨產(chǎn)生自由基誘導(dǎo)丙烯酸的聚合，同時(shí)在丙烯酸電離出的氫離子作用下，也能催化氧化石墨烯還原，進(jìn)而構(gòu)成電子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；此外，鎵與氫離子還能反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和鎵離子，產(chǎn)生的鎵離子又能與聚丙烯酸絡(luò)合成超分子水凝膠網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而將氫氣泡束縛在水凝膠內(nèi)部，最終形成多孔結(jié)構(gòu)的水凝膠。這種多孔水凝膠展現(xiàn)出可調(diào)節(jié)的孔結(jié)構(gòu)，適宜的機(jī)械性能和優(yōu)秀的自修復(fù)性能，在用作柔性傳感器時(shí)，對(duì)多重刺激均能實(shí)現(xiàn)高感知，如對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的高靈敏度、對(duì)溫度變化、溶劑改變的顯著響應(yīng)，特別是源自水凝膠獨(dú)特的可控閉孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)真空（大氣負(fù)壓）的響應(yīng)。

圖2 多孔水凝膠的制備及基本性能表征

（a）多孔水凝膠的制備示意圖；（b，c）拉曼光譜驗(yàn)證水凝膠中GO的還原,及嵌入在水凝膠內(nèi)部的導(dǎo)電Ga/GO雜化填料；（d）光學(xué)顯微鏡展示不同組分水凝膠樣品的多孔結(jié)構(gòu)；（e）不同LM含量和反應(yīng)溫度對(duì)水凝膠孔隙率的影響；（f, g）部分水凝膠樣品的拉伸和壓縮性能。

圖3 多孔水凝膠的自修復(fù)性能

（a）自修復(fù)樣品的拉伸彎曲展示；（b）光學(xué)顯微鏡觀察裂縫的修復(fù)情況；（c）不同修復(fù)時(shí)間下樣品的拉伸性能；（d）樣品用于電路中的修復(fù)展示；（e）機(jī)械性能和電性能的自修復(fù)效率；（g）自修復(fù)機(jī)理。

圖4 多孔水凝膠用作應(yīng)力應(yīng)變傳感器

（a, b）水凝膠對(duì)拉伸應(yīng)變的電阻響應(yīng)；（c）不同模式（電容式、電阻式）下的壓力敏感性；（d）不同溫度制備的水凝膠用作電容式壓力傳感器時(shí)的應(yīng)力響應(yīng)。

圖5 多孔水凝膠的其它刺激響應(yīng)

（a, b）水凝膠樣品對(duì)大氣負(fù)壓的電學(xué)響應(yīng)；（c, d）水凝膠樣品對(duì)溶劑變化的電學(xué)響應(yīng)；（e, f）水凝膠樣品對(duì)溫度變化的電學(xué)響應(yīng)

  該研究的意義在于利用液態(tài)金屬的化學(xué)活性構(gòu)筑了兼具自修復(fù)功能的多孔水凝膠，在其應(yīng)用于柔性電子中時(shí)展現(xiàn)出多重感知功能。這種可控孔結(jié)構(gòu)水凝膠的設(shè)計(jì)及應(yīng)用為柔性仿生皮膚的研究提供了新視角。

  近日相關(guān)研究工作以“Liquid metal-created macroporous composite hydrogels with self-healing ability and multiple sensations as artificial flexible sensors” 為題在線發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A上（DOI: 10.1039/d0ta09730f），并被邀請(qǐng)作為背封面。論文的第一作者為天津大學(xué)材料學(xué)院博士研究生張志興，通訊作者為天津大學(xué)材料學(xué)院封偉教授。

  該工作得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（No. 51633007）等項(xiàng)目的資助。

  全文鏈接：https://doi.org/10.1039/D0TA09730F