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湖南工業(yè)大學(xué)經(jīng)鑫教授課題組 AFM：高韌性、抗溶脹各向異性導(dǎo)電水凝膠
2024-08-27  來源：高分子科技

  傳統(tǒng)的水凝膠通常結(jié)構(gòu)無序且交聯(lián)松散，這導(dǎo)致其機械性能不盡如人意，嚴(yán)重阻礙了其實際應(yīng)用。近年來，受生物體組織結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究人員采用定向冷凍、電磁場誘導(dǎo)等方式在水凝膠內(nèi)部成功構(gòu)造了各向異性結(jié)構(gòu)來制備強韌的水凝膠，但往往存在操作復(fù)雜且功能單一的問題。此外，水凝膠存在的溶脹問題極大限制了其在水下傳感中的應(yīng)用。


  為了解決上述問題，湖南工業(yè)大學(xué)經(jīng)鑫教授課題組通過將預(yù)拉伸工藝、高價金屬離子配位交聯(lián)及引入熒光碳點進(jìn)行有機結(jié)合，研制了一種超高韌性、熒光性能優(yōu)異的聚丙烯酰胺/海藻酸鈉/鋯離子/碳點(PAM/SA/Zr4+/CDs, PSZC)水凝膠 (圖1)。該水凝膠內(nèi)部致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)賦予了其優(yōu)異的力學(xué)和抗溶脹性能，可用于水下傳感應(yīng)用。此外，各向異性網(wǎng)絡(luò)中的海藻酸鈉為碳點提供了豐富的鍵合位點，使得制備的水凝膠具有熒光特性，可用于視覺傳感應(yīng)用。該工作以“Mechanically Robust and Anti-Swelling Anisotropic Conductive Hydrogel with Fluorescence for Multifunctional Sensing”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上(adfm.202410698)。


圖1. 各向異性 PSZC 水凝膠的制備和應(yīng)用示意圖


  通過結(jié)合SEM，FTIR，二維XRD等表征結(jié)果，驗證了拉伸定向和Zr4+的錨定賦予了PSZC水凝膠各向異性且致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖2）。


圖2. PSZC 水凝膠的表征


  水凝膠優(yōu)異的取向結(jié)構(gòu)使得其有助于在拉伸方向上實現(xiàn)快速的應(yīng)力傳遞，這使得水凝膠無論是在小應(yīng)變（100%）還是大應(yīng)變下（300%）都具有較低的能量耗散和快速回復(fù)能力。此外，各向異性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)賦予了水凝膠抵御裂紋擴展的能力，在重復(fù)拉伸1000次后裂紋仍舊沒有明顯擴展，表明水凝膠具有卓越的穩(wěn)定性和可靠性（圖3）。


圖3. PSZC 水凝膠的回復(fù)能力和抗裂紋擴展能力


  負(fù)載的碳點賦予了PSZC水凝膠優(yōu)異的熒光性能，使其無論在扭曲還是拉伸狀態(tài)下都保持較好的熒光特性。另外，水凝膠的熒光亮度和電阻變化之間具有較好的線性相關(guān)度（R2=0.968）。因此，通過亮度估算水凝膠的電阻變化情況從而實現(xiàn)潛在的視覺傳感，賦予了水凝膠多功能的傳感能力（圖4）。


圖4. PSZC 水凝膠的光學(xué)行為


  PSZC致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還賦予了其優(yōu)異的抗溶脹能力。這使得該水凝膠可以在水下長期使用而不受溶脹影響（在水中30天的溶脹率為1.7%）。將PSZC水凝膠貼附于模型魚上，可以實時監(jiān)測模型魚的前進(jìn)方向和運動速率。這些實驗結(jié)果顯示了 PSZC 水凝膠在水下傳感中的廣闊前景，使其適用于監(jiān)測各種生物和水下設(shè)備的運動軌跡（圖5）。


圖5. PSZC 水凝膠在水下傳感中的應(yīng)用


  湖南工業(yè)大學(xué)包裝與材料工程學(xué)院碩士研究生張垚勛為本文第一作者，湖南工業(yè)大學(xué)包裝與材料工程學(xué)院經(jīng)鑫教授和鄭州大學(xué)橡塑模具國家工程中心的米皓陽教授為本文的共同通訊作者。該工作得到了湖南省自然科學(xué)基金等項目的支持。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202410698

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