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  近年來，柔軟、靈活和智能的離子導(dǎo)體具有優(yōu)異的機(jī)械性能和穩(wěn)定性、高靈敏度和導(dǎo)電性，在生物電子接口、人工智能和醫(yī)療保健及監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用受到了極大的關(guān)注。然而，大多數(shù)基于離子導(dǎo)體的水凝膠傳感器在大變形或高頻運(yùn)動(dòng)的情況下，表現(xiàn)出緩慢的響應(yīng)性和有限的瞬時(shí)恢復(fù)性，極大地降低了傳感器的靈敏度和信號(hào)傳輸?shù)姆�(wěn)定性。因此，開發(fā)具有理想回彈性和持久穩(wěn)定性的水凝膠傳感器至關(guān)重要。

  受生物軟組織中異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，南開大學(xué)孫平川/伍國(guó)琳?qǐng)F(tuán)隊(duì)，利用“軟”氫鍵交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)與通過雙氫鍵、疏水作用和π-π堆積交聯(lián)的“剛性”域之間的連接，成功制備了一種基于疏水締合的新型離子導(dǎo)電水凝膠傳感器。該水凝膠具有高拉伸性能(680%)和高回彈性(92.53%)，體系中存在大量的自由移動(dòng)離子(Li⁺、Na⁺和Cl^-)，該水凝膠在較寬的溫度范圍(-20-25℃)具有較高的靈敏度(GF=3.12)和快速的應(yīng)變響應(yīng)(≤100 ms)。此外，還具有持久的穩(wěn)定性和抗疲勞性，可以檢測(cè)，包括手指，手肘，慢跑和喉部的變化的各種人類日常活動(dòng)。因此，這種“軟硬”結(jié)構(gòu)為高性能離子導(dǎo)電水凝膠的制備提供了一種可行的解決方案，該材料在可穿戴設(shè)備、人工智能和電子皮膚等領(lǐng)域具有多功能傳感器的潛力。

圖1 (a) BA-A和P(AM-BA-A-ACG)的合成路線。(b) P(AM-BA-A-ACG)水凝膠的結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)層次以及P(AM-BA-A-ACG)水凝膠“軟硬”網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中的動(dòng)態(tài)相互作用。

圖2 (a) P(AM-BA-A-ACG)水凝膠在不同應(yīng)變下的連續(xù)拉伸加載/卸載循環(huán)；(b) P(AM-BA-A-ACG) 水凝膠在 200% 應(yīng)變下50個(gè)循環(huán)隨時(shí)間的應(yīng)力變化；(c) 連續(xù)循環(huán)拉伸試驗(yàn)和 (d) P(AM-BA-A-ACG) 和 PAM-ACG 水凝膠在 200% 應(yīng)變下循環(huán) 10 次的回彈性。(e) P(AM-BA-A-ACG) 水凝膠拉伸和壓縮彈性的機(jī)制示意圖。（f-h）（f）PAM-BA-A 和（g 和 h）P（AM-BA-A-ACG）水凝膠的 SEM 圖像。

圖 3 (a-d) 吞咽動(dòng)作及復(fù)雜的短語“你好”、“水凝膠”、“謝謝”，喉嚨的肌肉運(yùn)動(dòng)。(e) 水凝膠傳感器的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。(f) 這項(xiàng)工作與參考文獻(xiàn)在響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間方面的對(duì)照。(g) 水凝膠在 25 °C 和 -20 °C 下的電導(dǎo)率。(h) 這項(xiàng)工作與目前報(bào)道的傳感器在響應(yīng)時(shí)間、GF值、抗凍性、透明性和回彈性方面的對(duì)照。

  水凝膠優(yōu)異的機(jī)械性能和高回彈性可歸因于協(xié)同的軟硬分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、聚合物鏈的纏結(jié)以及多種物理相互作用，包括疏水相互作用、氫鍵和剛性域中的 π-π 堆積。水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的大量無機(jī)鹽離子（Na⁺、Li⁺ 和 Cl^-）不僅增強(qiáng)了抗凍性，而且賦予了凝膠極好的應(yīng)變和壓力敏感性。此外，與之前報(bào)道的水凝膠傳感器相比，離子導(dǎo)電水凝膠傳感器顯示出 97.73 ms 的快速響應(yīng)時(shí)間和 97.23 ms 的恢復(fù)時(shí)間。水凝膠中均勻多孔的網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)離子傳輸?shù)耐緩�，并在室溫�?-20°C 下將電導(dǎo)率分別提高到 1.35 S m^-1 和 0.89 S m^-1。這項(xiàng)工作為柔性傳感器和多功能平臺(tái)的制造提供了新的見解，該平臺(tái)在可穿戴設(shè)備、人工智能和電子皮膚中具有潛在應(yīng)用。

  相關(guān)研究成果以“Bioinspired, Nucleobase-Driven, Highly Resilient, and Fast Responsive Antifreeze ionic conductive Hydrogels for Durable Pressure and Strain Sensors”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊Journal of Materials Chemistry A上。通訊作者為南開大學(xué)孫平川研究員和伍國(guó)琳副教授，第一作者為南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院博士生邸祥。

  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta05262d