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南開大學(xué)孫平川研究員/伍國(guó)琳副教授團(tuán)隊(duì)《Mater. Horiz.》：新型超韌、高靈敏度水凝膠傳感器的構(gòu)建
2022-10-10  來(lái)源：高分子科技

  水凝膠傳感器，也被稱為 "電子皮膚"，因具有類似于人體組織的優(yōu)良機(jī)械和生理特性，而被廣泛應(yīng)用于包括健康監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)識(shí)別和信息加密傳輸?shù)阮I(lǐng)域，并有望成為下一代柔性可穿戴設(shè)備。然而，這些離子導(dǎo)電水凝膠材料通常表現(xiàn)出低韌性、有限的響應(yīng)性，以及在反復(fù)形變下信號(hào)檢測(cè)的快速衰減。此外，為適應(yīng)復(fù)雜溶劑環(huán)境并保持其穩(wěn)定性，抗溶脹性能也是必要的。因此，制備具有超高韌性、快速響應(yīng)性和抗溶脹性的水凝膠傳感器將會(huì)是未來(lái)可穿戴設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。

 



  受生物組織多尺度非均質(zhì)結(jié)構(gòu)啟發(fā)，南開大學(xué)孫平川/伍國(guó)琳?qǐng)F(tuán)隊(duì)，利用多重非共價(jià)相互作用匹配原理和逐步構(gòu)建策略，成功制備了一種具有抗溶脹特性的動(dòng)態(tài)交聯(lián)、超韌和高靈敏度的水凝膠傳感器。該水凝膠具有優(yōu)異的力學(xué)性能，包括斷裂伸長(zhǎng)率（>2000%）、韌性（~60 MJ×m-3）和恢復(fù)率（>88.2%）。值得注意的是，即使在不同pH值（2-11）和溶劑的溶液中，也表現(xiàn)出良好的抗溶脹性能。此外，由于動(dòng)態(tài)離子(Fe3+， Na+， Cl-)的存在，該水凝膠進(jìn)一步表現(xiàn)出快速響應(yīng)性（47.4 ms）和高靈敏度。因此，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，以及根據(jù)摩斯密碼表實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的加密解密，為開發(fā)具有多功能傳感功能的離子導(dǎo)電水凝膠提供了一種可行的解決方案。 


圖1 (a) BA-A和P(AM-BA-A-AA)的合成路線。(b) 雙網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)交聯(lián)水凝膠的制備過(guò)程示意圖。 


圖2 (a)低場(chǎng)MSE-FID NMR信號(hào);(b)歸一化DQ強(qiáng)度與DQ激發(fā)時(shí)間的函數(shù)關(guān)系;(c)對(duì)歸一化DQ曲線擬合得到的Dres分布曲線;(d) P-水凝膠，(e) C-水凝膠，(f) E-水凝膠的SEM圖像。 


圖3 (a)字母、數(shù)字和符號(hào)表中摩斯密碼的相應(yīng)符號(hào);(b)手指彎曲相對(duì)電阻的變化及對(duì)應(yīng)摩斯密碼記錄點(diǎn)和線;(c)記錄不同英文字母，(d)短語(yǔ)“I LOVE NKU”以及不同數(shù)字和符號(hào)。


  水凝膠非均質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由“柔性”疏水共軛微區(qū)結(jié)構(gòu)域與分子間/分子內(nèi)氫鍵、π -π堆積以及通過(guò)強(qiáng)離子配位相互作用形成的“剛性”交聯(lián)結(jié)合而成，可逆交聯(lián)的協(xié)同作用和剛?cè)峤M分含量的變化實(shí)現(xiàn)了對(duì)水凝膠結(jié)構(gòu)靈活有效的調(diào)控。此外，強(qiáng)配位相互作用和疏水聚集的引入也賦予其優(yōu)異的抗溶脹性能，流變學(xué)和質(zhì)子多量子（MQ）核磁共振波譜系統(tǒng)地驗(yàn)證了材料的粘彈性行為和異質(zhì)結(jié)構(gòu)演化規(guī)律。該水凝膠具有高靈敏度（GF=0.862）、快速響應(yīng)性和循環(huán)穩(wěn)定性，結(jié)合摩斯密碼，能夠?qū)崿F(xiàn)信息加解密領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，這項(xiàng)工作為制備柔性可穿戴設(shè)備和擴(kuò)展在生物傳感器、健康監(jiān)測(cè)和信息加密傳輸中的應(yīng)用提供了新的視角。


  相關(guān)研究成果以“Bio-inspired, Ultra-tough, High-Sensitivity, and Anti-swelling Conductive Hydrogel Strain Sensor for Motion Detection and Information Transmission”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊Materials Horizons。南開大學(xué)孫平川研究員和伍國(guó)琳副教授為該文章的通訊作者，南開大學(xué)博士邸祥為本文第一作者（目前就職于華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系）。


  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2022/MH/D2MH00456A

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