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揚(yáng)州大學(xué)吳德峰/解文媛團(tuán)隊(duì)《ACS AMI》：雙交聯(lián)復(fù)合有機(jī)水凝膠的多模式傳感
2022-12-04  來源：高分子科技

  水凝膠具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，包括易調(diào)節(jié)的變形性和剛度，出色的透明度和導(dǎo)電性，以及自愈能力和生物相容性，賦予了水凝膠基柔性器件從合成，組裝，到功能的多種可能性。然而，水凝膠易低溫凍結(jié)或高溫脫水，這極大地限制了其作為柔性器件襯底的應(yīng)用。迄今為止，研究人員已經(jīng)成功地開發(fā)出多種有效的策略來提高水凝膠的抗凍性，包括引入多元醇、離子液體、電解質(zhì)或改性聚合物等，而溶劑交換是最常見的實(shí)施途徑之一，由此獲得的交換體系也稱為有機(jī)水凝膠。


  目前針對(duì)有機(jī)水凝膠的研究主要聚焦在：1) 提高其對(duì)極端環(huán)境 (高真空、酸、堿、鹽、低/高溫的耐受性；2) 改善有機(jī)水凝膠的強(qiáng)度和韌性，以延長(zhǎng)其在生物承載組織(如人工骨骼肌)中的使用壽命；3) 開發(fā)新型刺激響應(yīng)的有機(jī)水凝膠以創(chuàng)建新的功能器件。其中，在體系中構(gòu)筑多重網(wǎng)絡(luò)或多種交聯(lián)至關(guān)重要。


圖1. PAM/PVA/MXene復(fù)合水凝膠和有機(jī)水凝膠的合成路線及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)


  本研究利用丙三醇作為交換溶劑制備了PAM/PVA/MXene有機(jī)水凝膠。該體系內(nèi)具有兩種類型的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，即：MBA共價(jià)交聯(lián)的PAM作為主交聯(lián)，MXene納米片物理交聯(lián)的PVA/PAM次級(jí)交聯(lián)（圖1）。通過控制溶劑交換時(shí)間，可以很好地調(diào)控該有機(jī)水凝膠體系的機(jī)械性能和傳感性能。雙重交聯(lián)的設(shè)計(jì)使體系具有超拉伸性，優(yōu)化后的樣品延伸率高達(dá)2800%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于已有報(bào)道的復(fù)合有機(jī)水凝膠（圖2）。在經(jīng)歷極端環(huán)境后(如低溫(?20℃)、高溫 (60℃) 和真空)，樣品仍然具有優(yōu)異的應(yīng)變電阻效應(yīng)（圖3），因此可以作為一種具有良好環(huán)境穩(wěn)定性的應(yīng)變/壓力傳感器。 


圖2. PAM/PVA/MXene復(fù)合有機(jī)水凝膠的刺激響應(yīng)單元和力學(xué)性能


圖3. PAM/PVA/MXene復(fù)合有機(jī)水凝膠（極端環(huán)境下）對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的感知能力


  此外，利用該復(fù)合有機(jī)水凝膠制成的織物和薄膜還可以感知到微弱振幅的壓縮變形（如編入摩斯密碼或者寫入拼音字母），因此可用于收集和傳輸信息（圖4）。動(dòng)態(tài)的MXene?PVA/PAM交聯(lián)結(jié)構(gòu)還可作為熱刺激響應(yīng)單元，賦予體系具有優(yōu)異的熱感知能力，從而使樣品可以作為溫度傳感器捕捉由于熱或者光照產(chǎn)生的微弱的溫度變化產(chǎn)生的電阻變化，可作為熱開關(guān)控制光刺激信號(hào)（圖5），TCR值優(yōu)異。這項(xiàng)工作為開發(fā)綜合性能優(yōu)越的多模式傳感器有機(jī)水凝膠提供了有價(jià)值的信息。


圖4. PAM/PVA/MXene復(fù)合有機(jī)水凝膠的壓力傳感能力（摩斯編碼）


圖5. PAM/PVA/MXene復(fù)合有機(jī)水凝膠的熱感知能力


  該工作以‘Ultrastretchable Composite Organohydrogels with Dual Cross-Links Enabling Multimodal Sensing’為題發(fā)表于ACS Applied Materials & Interfaces上，揚(yáng)州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院的博士生蔣晨光為第一作者，吳德峰教授和解文媛老師為通訊作者。


  全文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c18667

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（責(zé)任編輯：xu）
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