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海南大學(xué)盧凌彬教授團(tuán)隊(duì)《Chem. Mater.》：雙機(jī)制驅(qū)動(dòng)下的環(huán)境友好型應(yīng)變響應(yīng)高分子凝膠
2023-03-16  來源：高分子科技
  應(yīng)變響應(yīng)高分子凝膠作為一類可模擬人類皮膚感應(yīng)外界溫度、應(yīng)變、壓力等變化的智能聚合物材料，可以在受到外界刺激時(shí)將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)。由于具有良好的韌性、生物相容性和導(dǎo)電性，應(yīng)變響應(yīng)高分子凝膠在柔性傳感器、可穿戴電子設(shè)備和軟體機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。尤其是具有自愈合性能的水凝膠可通過內(nèi)部重建動(dòng)態(tài)相互作用來恢復(fù)材料原有的物理化學(xué)性質(zhì)，極大地?cái)U(kuò)展了應(yīng)用領(lǐng)域。為了應(yīng)變響應(yīng)高分子凝膠的環(huán)境友好性，人們將目光投向了天然高分子材料，但天然高分子應(yīng)變響應(yīng)凝膠性能與實(shí)際應(yīng)用相距甚遠(yuǎn)，無法滿足實(shí)際應(yīng)用。為了提高響應(yīng)性能，人們常常具有良好導(dǎo)電性能的無機(jī)納米粒子混入有機(jī)高分子體系。然而由于無機(jī)材料與有機(jī)材料間本質(zhì)上的差異，相容性和分散性會(huì)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致材料性能不穩(wěn)定。近期，海南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院盧凌彬教授課題組通過“預(yù)配位”策略設(shè)計(jì)了一條基于自然資源的途徑，開發(fā)了一種雙機(jī)制驅(qū)動(dòng)的應(yīng)變響應(yīng)高分子水凝膠。該水凝膠具有良好的自愈合性能和高靈敏的應(yīng)變響應(yīng)性。 


圖1 CMC/PDA@Fe3+水凝膠形成機(jī)理


  在這項(xiàng)工作，首先利用金屬離子與多巴胺之間的配位反應(yīng)進(jìn)行三價(jià)鐵離子與多巴胺的預(yù)配位，解決金屬離子的分散均勻性和穩(wěn)定性問題，然后再通過引發(fā)羧甲基纖維素上羧基與多巴胺上的氨基發(fā)生酰胺化反應(yīng)，從而利用簡(jiǎn)單的兩步法成功構(gòu)建CMC/PDA@Fe3+高分子水凝膠。在這一策略中，巧妙地把Fe3+作為“橋梁”，利用其本身優(yōu)良的導(dǎo)電特性，把各種優(yōu)異的性能集合在一種材料中。依賴于這一策略，CMC/PDA@Fe3+水凝膠內(nèi)部同時(shí)擁有動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵（可逆金屬配位鍵）和非共價(jià)鍵（酰胺鍵之間的氫鍵），這種雙機(jī)制驅(qū)動(dòng)作用保障了材料的優(yōu)異自愈合性能（圖2）。 


圖2 CMC/PDA@Fe3+水凝膠的自愈合性能


  CMC/PDA@Fe3+水凝膠具有良好的拉伸和壓縮性能，不僅可以進(jìn)行反復(fù)拉伸而不斷裂，還可以在壓縮后恢復(fù)原來的形狀（圖3）。這歸因于水凝膠內(nèi)部Fe3+-O配位鍵和酰胺基團(tuán)間氫鍵的雙機(jī)制驅(qū)動(dòng)作用。CMC/PDA@Fe3+水凝膠可以牢牢地粘附在人體皮膚、塑料、玻璃、紙、樹葉和木材的表面（圖4a），甚至在水下CMC/PDA@Fe3+水凝膠同樣擁有突出的粘附性能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬和高分子材料的有效粘附（圖4b）。 


圖3 (a) CMC/PDA@Fe3+水凝膠反復(fù)拉伸照片；(b) CMC/PDA@Fe3+水凝膠反復(fù)壓縮照片


圖4 (a) CMC/PDA@Fe3+水凝膠粘附在皮膚、塑料、玻璃、紙、樹葉和木材上；(b) CMC/PDA@Fe3+水凝膠在水中8 h后依然可以粘附起500 g的重物


  理想的柔性傳感器還應(yīng)擁有出色的自修復(fù)性。如圖5a所示，將水凝膠和電源、二極管接在一起，二極管可以穩(wěn)定的發(fā)光。水凝膠被切開后，二極管熄滅，將切開的部分連接3 h后，再次接在二極管上，二極管重新亮起來了且亮度無明顯變化。從圖5b中可以看到，水凝膠被拉伸至原來的200%后，二極管的亮度變暗，這說明水凝膠對(duì)形態(tài)變化擁有很高的敏感性。


圖5 (a) 完整、切開、自愈合后的水凝膠點(diǎn)亮二極管的照片；(b) 反復(fù)拉伸水凝膠后二極管的亮度變化照片 


圖6 (a) CMC/PDA@Fe3+水凝膠被組裝成一個(gè)傳感裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)，手腕彎曲(a1)，手指彎曲(a2)，手肘彎曲(a3)，跑步(a4)的相對(duì)電阻變化；(b) 水凝膠檢測(cè)喉嚨發(fā)聲的相對(duì)電阻變化.沉默(b1)，說“ni hao”(b2)，說“hello”(b3)，說26個(gè)英文字母(b4)；(c) 水凝膠檢測(cè)脈搏的相對(duì)電阻變化 (c1) 平靜狀態(tài)下，(c2) 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下


  該水凝膠對(duì)應(yīng)變具有極高的響應(yīng)敏感性，能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)和鑒別各種不同的人體運(yùn)動(dòng)。水凝膠粘附在人體不同部位，可以收集到人體相應(yīng)部位的規(guī)律動(dòng)作特征信號(hào)（圖6），從大的跑步運(yùn)動(dòng)到小的脈搏振動(dòng)，甚至不同發(fā)音時(shí)喉嚨振動(dòng)的細(xì)微差別都可以被檢測(cè)到。這種多功能的環(huán)境友好型水凝膠在下一代仿生皮膚、柔性傳感器、軟體機(jī)器人中有著巨大的應(yīng)用潛力。
以上相關(guān)成果發(fā)表在Chemistry of Materials上，是團(tuán)隊(duì)關(guān)于環(huán)境友好型智能水凝膠的最新進(jìn)展。論文第一作者為海南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士生王聰聰，通訊作者為海南大學(xué)盧凌彬教授。


  全文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c03330

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（責(zé)任編輯：xu）
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