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西南交大周紹兵教授、向韜副教授團(tuán)隊(duì)《Mater. Horiz.》：環(huán)境耐受多功能低共熔凝膠用于高靈敏度可穿戴傳感器
2025-01-19  來(lái)源：高分子科技

  近年來(lái)，基于水凝膠柔性傳感器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電子皮膚、運(yùn)動(dòng)健康檢測(cè)、人機(jī)交互界面。然而，水凝膠的分散介質(zhì)是水，當(dāng)溫度低于零攝氏度時(shí)不可避免會(huì)發(fā)生凍結(jié)而失去柔韌性、導(dǎo)電性等基本特性，這極大限制了柔性傳感器在低溫環(huán)境下的應(yīng)用。低共熔溶劑（DES）具有低熔點(diǎn)、低揮發(fā)性等優(yōu)點(diǎn)，因此，基于DES制備的低共熔凝膠（Eutectogel）具有良好的抗凍性能，有望成為水凝膠的替代者，應(yīng)用于柔性傳感器。但是以純DES為分散介質(zhì)制備的Eutectogel基傳感器仍存在靈敏度低、機(jī)械性能差等挑戰(zhàn)。


  針對(duì)上述挑戰(zhàn)，西南交通大學(xué)周紹兵教授、向韜副教授團(tuán)隊(duì)利用丙烯酸AA、甲基丙烯酸月桂酸酯LMA為反應(yīng)單體在DES/H2O二元溶劑中制備了一種高透明、抗凍、自粘附、自愈合和抗溶脹的多功能eutectogel。基于此eutectogel組裝了電阻式應(yīng)變傳感器，通過(guò)調(diào)節(jié)二元溶劑的組分在保證抗凍性(-60 oC)的同時(shí)有效改善了eutectogel基傳感器的靈敏度，當(dāng)H2O和DES質(zhì)量比為1:2時(shí)GF最高達(dá)到15.4。基于eutectogel的應(yīng)變傳感器被應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和加密信息傳輸，優(yōu)異的抗凍性和靈敏度使得應(yīng)變傳感器即使在-30 oC的低溫環(huán)境下也能穩(wěn)定工作？傊@項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)用于低溫環(huán)境下的柔性傳感器提供了一種簡(jiǎn)單有效的策略。這項(xiàng)研究成果以“Environmentally tolerant multifunctional eutectogel for highly sensitive wearable sensors”為題發(fā)表在《Materials Horizons》雜志上。文章第一作者為西南交通大學(xué)韋正恩和賈良好，通訊作者為向韜副教授。該課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、四川省科技計(jì)劃和中央高；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)等的資助和支持。


圖1. PAL低共熔凝膠的制備、化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能。（a）低共熔凝膠的制備、相互作用和特性示意圖。（b）低共熔凝膠的透明度。（c）低共熔凝膠在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和信息傳輸中的應(yīng)用。（d）DES和水分子之間的氫鍵相互作用。


圖2. PAL低共熔凝膠的力學(xué)性能。（a）PAL低共熔凝膠拉伸試驗(yàn)照片。（b）PAL低共熔凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。（c）PAL低共熔凝膠的楊氏模量和拉伸強(qiáng)度。（d）PAL66與其他報(bào)道的低共熔凝膠的拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的比較。（e）PAL66低共熔凝膠在50%至500%不同應(yīng)變下的連續(xù)加卸載拉伸試驗(yàn)。（f）計(jì)算出的PAL66低共熔凝膠的總能量、耗散能量和耗散率。（g）PAL66低共熔凝膠在200%應(yīng)變20次循環(huán)加卸載拉伸試驗(yàn)中的表現(xiàn)。（h）相應(yīng)的每個(gè)循環(huán)的最大拉伸應(yīng)力和耗散能量。


圖3. PAL低共熔凝膠的抗凍性能。（a）25℃和60℃下PAL0和PAL66低共熔凝膠的數(shù)碼照片。（b）不同溫度下PAL0和PAL66的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。（c）PAL0和PAL66低共熔凝膠的DSC曲線(xiàn)。（d）氫鍵供體-受體距離的概率密度函數(shù)。（e）氫鍵供體-受體角的概率密度函數(shù)。（f）氫鍵類(lèi)型和數(shù)量與模擬時(shí)間的關(guān)系。（g）H2O–H2O和H2O–DES的結(jié)合能。（h）H2O–H2O和H2O–DES的IGMH三維圖。


圖4. PAL66低共熔凝膠的粘附和自修復(fù)性能。（a）PAL66低共熔凝膠粘附在不同基材上的數(shù)碼照片。（b）PAL66低共熔凝膠與不同基材之間的粘附機(jī)理。（c）搭接剪切試驗(yàn)示意圖。（d）PAL66與不同基材之間的粘附力曲線(xiàn)。（e）PAL66與不同基材之間的粘附強(qiáng)度。（f）原始和修復(fù)后的PAL66低共熔凝膠在不同修復(fù)方式和溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。（g）PAL66低共熔凝膠在不同修復(fù)方式和溫度下的自修復(fù)效率。（h）PAL66低共熔凝膠自修復(fù)的數(shù)碼照片和劃痕實(shí)驗(yàn)的光學(xué)顯微鏡圖像。


圖5. 基于PAL66低共熔凝膠的應(yīng)變傳感器的性能。（a）PAL66低共熔凝膠應(yīng)變傳感器的相對(duì)電阻與應(yīng)變曲線(xiàn)。（b）將PAL66低共熔凝膠應(yīng)變傳感器與先前報(bào)道的低共熔凝膠應(yīng)變傳感器在兩個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)上進(jìn)行比較：GF（最好更高）和防凍溫度（最好更低）。（c）在不同拉伸速率下拉伸至50％的PAL66低共熔凝膠應(yīng)變傳感器的相對(duì)電阻變化。（d）和（e）在小應(yīng)變（10-30％）和大應(yīng)變（100-300％）的漸進(jìn)循環(huán)載荷過(guò)程中PAL低共熔凝膠應(yīng)變傳感器的相對(duì)電阻變化。（f）PAL66低共熔凝膠應(yīng)變傳感器在50％拉伸應(yīng)變的循環(huán)加載-卸載下進(jìn)行8000次循環(huán)的相對(duì)電阻變化。


圖6. PAL66低共熔凝膠應(yīng)變傳感器的應(yīng)用。（a）應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的示意圖。（b）和（c）應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)機(jī)器人抓取不同尺寸物體的彎曲程度。（d）和（e）應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)機(jī)器人行走時(shí)膝蓋彎曲的程度。（f）應(yīng)變傳感器輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)于摩爾斯電碼。（g）25 ℃時(shí)應(yīng)變傳感器輸出信號(hào)“YES”。（h）25 ℃時(shí)應(yīng)變傳感器輸出信號(hào)“NO”。（i）25 ℃時(shí)應(yīng)變傳感器輸出信號(hào)“DES”。（j）-30 ℃時(shí)應(yīng)變傳感器輸出信號(hào)“YES”。（k）-30 ℃時(shí)應(yīng)變傳感器輸出信號(hào)“NO”。（l）-30 ℃時(shí)應(yīng)變傳感器輸出信號(hào)“DES”。


  該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于多功能凝膠材料在柔性傳感器和組織工程領(lǐng)域的最新進(jìn)展之一。在過(guò)去的幾年中，該團(tuán)隊(duì)著眼于材料的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、表面改性及功能化設(shè)計(jì)，探索研究了智能凝膠材料在糖尿病皮膚修復(fù)（Bioact. Mater. 2023, 20, 561; Adv. Healthc. Mater. 2024, 13, 2301885；Adv. Healthc. Mater. 2024, 13, 2304536）、抗凍多功能水凝膠傳感器（Chem. Eng. J. 2024, 501, 157822；Chem. Eng. J. 2024, 495, 153734）、鹽響應(yīng)柔性傳感器（J. Mater. Chem. A 2021, 9, 1048）等領(lǐng)域的應(yīng)用。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D4MH01665C

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