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  導(dǎo)電水凝膠作為柔性電子器件，不僅具有獨(dú)特的吸引力，而且滿足了機(jī)械柔性和智能傳感的基本需求。如何賦予傳統(tǒng)均質(zhì)導(dǎo)電水凝膠和柔性傳感器各向異性和廣泛的應(yīng)用溫度范圍仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

  近日，吉林大學(xué)超分子國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室林權(quán)教授課題組通過定向凍結(jié)的方法制備具有各向異性的MXene導(dǎo)電水凝膠，其靈感來自于肌肉的有序結(jié)構(gòu)。由于MXene導(dǎo)電水凝膠的各向異性，其力學(xué)性能和導(dǎo)電性在特定方向上得到增強(qiáng)。通過溶劑置換的方法，賦予導(dǎo)電水凝膠較寬的耐溫范圍為-36°C至25°C。因此，受肌肉啟發(fā)的MXene導(dǎo)電水凝膠具有各向異性和耐低溫性，可作為可穿戴柔性傳感器和3D傳感陣列（圖1）。

圖1. PMZn-GL水凝膠的合成方法及其在可穿戴柔性傳感器和三維傳感器陣列中的應(yīng)用。

圖2. a)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變。b)導(dǎo)電水凝膠橫截面的SEM圖像。c)SEM圖像的俯視圖。d)MXene導(dǎo)電水凝膠在平行和垂直網(wǎng)絡(luò)方向的存儲(chǔ)模量和損耗模量。e)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。f)壓力-應(yīng)變曲線。g)電導(dǎo)率。

  通過凍融和定向冷凍相結(jié)合的方式，制成MXene導(dǎo)電水凝膠。通過掃描電鏡（SEM）觀察水凝膠的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)所制備的導(dǎo)電水凝膠具有有序的取向性，水凝膠結(jié)構(gòu)為有序的網(wǎng)絡(luò)。后續(xù)對MXene導(dǎo)電水凝膠的各向異性進(jìn)行研究，通過流變、拉伸、壓縮、電導(dǎo)率這四個(gè)方面進(jìn)行研究討論。他們發(fā)現(xiàn)沿水凝膠網(wǎng)絡(luò)方向的各項(xiàng)數(shù)據(jù)均優(yōu)于垂直于水凝膠網(wǎng)絡(luò)的，說明所制備的MXene導(dǎo)電水凝膠具有獨(dú)特的各向異性（圖2）。這項(xiàng)研究為設(shè)計(jì)可穿戴柔性傳感器提供了一種新的策略。

圖3. a)可穿戴柔性傳感器監(jiān)測人體動(dòng)作，通過無線通信傳輸，向手機(jī)發(fā)送傳感信號(hào)。b)手指彎曲的不同，通過無線技術(shù)在手機(jī)上顯示變化。

  在前期工作基礎(chǔ)上，由林權(quán)教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)將上述得到的導(dǎo)電水凝膠制備的可穿戴傳感器通過與無線技術(shù)的相結(jié)合，得到了具有運(yùn)動(dòng)監(jiān)測功能的設(shè)備（圖3）。將之前所采集的手指傳感信號(hào)進(jìn)行分析，通過計(jì)算機(jī)程序處理后和無線技術(shù)的傳輸，在手機(jī)上實(shí)現(xiàn)圖片隨著采集到的信號(hào)發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)監(jiān)測。該工作為人機(jī)界面兼容性和醫(yī)療監(jiān)測方面提供了新的思路。

  以上相關(guān)成果以題為Muscle-Inspired MXene Conductive Hydrogels with Anisotropy and Low-Temperature Tolerance for Wearable Flexible Sensors and Arrays發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。吉林大學(xué)超分子國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士生馮鈺斌為論文的第一作者，通訊作者為林權(quán)教授，共同通訊作者為申春教授與博士后趙月。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202105264