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    加拿大阿爾伯塔大學曾宏波教授課題組JMCA:在高彈性自修復導電水凝膠傳感器方面取得進展
    2020-11-21  來源:高分子科技

      柔性電子元器件因其在可穿戴電子設備和電子皮膚等新興領域的巨大應用前景而受到了廣泛的關注,導電水凝膠具有與人體組織相似的結構,兼具柔性和導電性,可提供良好的人機接觸體驗,是制備柔性電子器件的理想材料。然而,傳統水凝膠力學強度、可拉伸性以及回彈性都較差,制備具有良好機械性能同時兼備高導電性的水凝膠一直以來都是研究的重點。另外,由于天然皮膚具有自愈能力和對多重外界刺激(如溫度、應變和壓力)的感知能力,如何設計出具有優異力學電學性能同時集成天然皮膚的多種功能性的水凝膠,拓寬其應用領域以及提高其使用壽命,是近幾年導電水凝膠研究的熱點。


      最近,加拿大阿爾伯塔大學曾宏波教授課題組報道了一種具有高彈性、高拉伸性、自修復以及溫度響應性的水凝膠應變/壓力傳感器。該水凝膠 (縮寫為PAAFC-L)的制備是在分散有羧基化多壁碳納米管 (MWCNT)和醛基封端的PEO-PPO-PEO(F127-CHO)膠束以及溶有氯化鋰 (LiCl)的水溶液中,原位引發丙烯酰胺和氨基功能化單體(AEAM)共聚而實現的。其中,聚丙烯酰胺通過分子間氫鍵構筑了該水凝膠的基礎網絡,通過與AEAM的共聚,同時實現了與MWCNT (通過靜電相互作用)和F127-CHO (通過席夫堿反應)的良好界面相互作用,構筑了緊密的交聯網絡,如圖1所示。


    圖1. PAAFC-L 水凝膠合成及相互作用示意圖。


      該水凝膠具有良好的可拉伸性 (斷裂應變1200%),如圖2a和b所示。并且具有優異的抗疲勞性能和回彈性,其可被反復拉伸至10倍以上并幾乎完全回復原有強度和形狀 (圖2c), 該水凝膠也可以在一定程度上抵抗尖銳物體的破壞(圖2d)。由于其交聯網絡由動態物理和化學鍵構成,該水凝膠表現出良好的自修復性能(圖2e)。另外,由于F127-CHO膠束的溫敏性,該水凝膠的透明度隨著溫度改變可發生快速且可逆的變化,在常溫下是半透明,在人體溫度(37 °C)則變為完全透明(圖2f)。


    圖2. PAAFC-L水凝膠的 (a,b)拉伸性能、(c,d)回彈性能、(e)自修復性能和(f)溫敏性。


      該水凝膠具有良好的導電性,電導率為3.96 S/m,其對拉伸應變和壓力變化都有較高靈敏度。因此,該水凝膠被作為傳感器成功應用于監測人體的各種大幅度活動和細微的生理信號,比如手指彎曲、聲帶振動和脈搏跳動,如圖3所示。值得一提的是,當其用作監測人體脈搏跳動時,可以成功捕捉到運動前后脈搏波形的細微變化,這在現有水凝膠傳感器中是比較少見的。另外,作者將該水凝膠與睡眠眼罩結合,將制作的“智能眼罩”用來監控睡眠,并在監測人體快速眼動睡眠(REM sleep)上取得了較高的敏感度和準確性,如圖4所示。該水凝膠獨特的高彈性和自修復性能以及優異的傳感性能為導電水凝膠的設計和應用提供了新思路。


    圖3. PAAFC-L水凝膠柔性傳感器用于監測(a)手指彎曲、(b)聲帶振動和(c)脈搏跳動, (d,e)運動前后脈搏波形變化。


    圖4. PAAFC-L水凝膠傳感器用于監測睡眠。


      這一成果近期以“Ultra elastic, stretchable, self-healing conductive hydrogels with tunable optical properties for highly sensitive soft electronic sensors” 為題發表在 Journal of Materials Chemistry A上,文章的第一作者是阿爾伯塔大學化工與材料系博士生武盟,通訊作者為曾宏波教授


      論文鏈接: https://doi.org/10.1039/D0TA09735G 

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    (責任編輯:xu)
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