顆粒在線訊：導(dǎo)電水凝膠由于與生物組織相似、耐磨性好、信息采集精度高，已成為多功能應(yīng)變傳感器的候選材料。然而，由于缺乏交聯(lián)結(jié)構(gòu)與性能之間的結(jié)合機(jī)制，制備同時具有高靈敏度、顯著機(jī)械性能、優(yōu)異的傳感穩(wěn)定性、快速響應(yīng)和低檢測限的水凝膠傳感器一直是一個挑戰(zhàn)。此外，由于應(yīng)變傳感器在自然條件下的不可降解性和不完全可回收性，電子廢棄物會逐漸增多。因此，迫切需要開發(fā)具有優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度、顯著自愈能力、環(huán)境降解能力和可回收性的導(dǎo)電水凝膠應(yīng)變傳感器來檢測微小變形。

華南理工大學(xué)陳克復(fù)院士團(tuán)隊(duì)報告了一種簡單的策略，通過分子水平的多動態(tài)相互作用(MMDI)設(shè)計(jì)了一種自修復(fù)、可回收和導(dǎo)電的水凝膠基應(yīng)變傳感器，獲得的明膠/DATNFC/Fe3+水凝膠（GDIH）與純明膠水凝膠相比，拉伸強(qiáng)度（990.7%）和抗壓強(qiáng)度（3822.7%）顯著增加，且有著非凡的壓縮應(yīng)力(1310 kPa)、自愈能力和導(dǎo)電性。該水凝膠被開發(fā)為多功能應(yīng)變傳感器，具有高應(yīng)變靈敏度（在6%應(yīng)變下，GF=2.24）和壓縮靈敏度（在15 kPa下，S=1.14 kPa-1），可用于制造電子皮膚并準(zhǔn)確識別檢測微小變形引起的電生理信號，具有傳感穩(wěn)定性和快速壓縮響應(yīng)時間（200 ms）。該研究以題為“Self-healing, Recyclable and Conductive Gelatin/Nanofibrillated Cellulose/Fe3+ Hydrogels Based on Multi-Dynamic Interactions for Multifunctional Strain Sensors”發(fā)表在《Materials Horizons》上，通訊作者為該團(tuán)隊(duì)的王斌副教授、李金鵬博士與徐峻教授。

【GDIH水凝膠的制備】

MMDI水凝膠是通過溶膠-凝膠反應(yīng)和離子浸入法制備的，無需復(fù)雜的分子設(shè)計(jì)和復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)?；九浞街饕擅髂z、雙醛-（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基）-氧化納米纖維化纖維素（DATNFC）和Fe3+組成。DATNFC充當(dāng)了一個關(guān)鍵橋梁，可以利用其豐富的醛/羧基與-NH2、-OH和Fe3+相互作用，分別形成希夫堿、氫鍵和配位鍵。所有這些都是動態(tài)的，能夠可逆地?cái)嗔押椭亟?，提供了凝膠優(yōu)異的機(jī)械性能和優(yōu)異的自愈能力。

圖1：水凝膠的合成示意圖

【GDIH水凝膠的機(jī)械性能】

合成的GDIH水凝膠可以被大范圍拉伸和按壓，經(jīng)手指按壓后可以恢復(fù)到原來的高度。形成的動態(tài)化學(xué)鍵可以通過有效的能量耗散機(jī)制在連續(xù)應(yīng)變下斷裂和重組。由于納米復(fù)合水凝膠中存在穩(wěn)定的雙網(wǎng)絡(luò)（DN），隨著Fe3+的增加，GDIH的抗壓強(qiáng)度呈上升趨勢，超過了之前發(fā)表的許多水凝膠。與純明膠相比，拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度分別提高了990.7%和3822.7%。拉伸過程中的抗疲勞試驗(yàn)表明，在應(yīng)變?yōu)?5%的連續(xù)10次加載-卸載循環(huán)后，預(yù)循環(huán)后的水凝膠的抗拉強(qiáng)度幾乎可以保持不變，表現(xiàn)出出色的抗疲勞性能。

圖2：GDIH水凝膠的機(jī)械性能表征

【GDIH水凝膠的電學(xué)性能】

水凝膠被用作導(dǎo)體來構(gòu)建導(dǎo)電電路，LED燈泡在不同的壓力下顯示出不同的亮度，對不同應(yīng)變具有良好的敏感性和穩(wěn)定性。歸因于離子的遷移，增加的相對電阻變化與拉伸應(yīng)變成正呈現(xiàn)線性增加。當(dāng)水凝膠被拉伸時，導(dǎo)電路徑的長度變長，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)變得松散。離子傳輸受到限制，導(dǎo)致體電阻增加。結(jié)果表明，由于這種良好的線性關(guān)系，校準(zhǔn)過程可以簡化，從而提高信號精度，確保了檢測人體運(yùn)動和電生理信號的可靠性。將水凝膠組裝成可穿戴式應(yīng)變傳感器，以實(shí)時檢測復(fù)雜的身體運(yùn)動。正如預(yù)期的那樣，當(dāng)肘關(guān)節(jié)完全彎曲到90°時，傳感器顯示出明顯的特征信號峰值；當(dāng)肘關(guān)節(jié)伸直時，相對阻力立即恢復(fù)到原始狀態(tài)。

圖3：GDIH水凝膠的電學(xué)性能表征

【GDIH水凝膠用于傳感器】

此外，基于水凝膠的傳感器可以用來檢測人的書寫筆跡。單獨(dú)的字母（A、B、C、D）在峰數(shù)上顯示出明顯的差異，組合字母中的A、B、C、D的相應(yīng)信號與單獨(dú)字母的信號一致。這表現(xiàn)出顯著的書寫重復(fù)性，表明其作為電子設(shè)備記錄手寫的卓越能力。由兩位不同的研究人員手寫的同一單詞的相對電阻變化和峰形是不同的，在書寫防偽領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。組裝了一個4×4水凝膠陣列，用于檢測電子皮膚中廣泛應(yīng)用的二維力和應(yīng)變分布。結(jié)果表明，該策略可以擴(kuò)展到制作用于電子皮膚應(yīng)用的高度集成的小凝膠像素陣列。

圖4：筆跡傳感器與電子皮膚力傳感器表征

【小結(jié)】

綜上所述，該研究通過溶膠-凝膠法和離子滲透法兩步工藝制備了一種新型納米復(fù)合水凝膠基傳感器，拉伸和壓縮強(qiáng)度分別比純明膠水凝膠高出近990.7%和3822.7%，表現(xiàn)出顯著的機(jī)械性能（壓應(yīng)力高達(dá)1310 422 kPa）、優(yōu)異的靈敏度（6%應(yīng)變下應(yīng)變靈敏度高達(dá)2.24，15 kPa下壓縮靈敏度高達(dá)1.14 kPa-1）、傳感穩(wěn)定性、自愈性和可回收性，為解決機(jī)械強(qiáng)度和傳感之間長期存在的困境提供了可行的方案。所開發(fā)的應(yīng)變傳感器是一種良好的電子設(shè)備，具有大規(guī)模生產(chǎn)的潛在商業(yè)化潛力，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療監(jiān)測、軟機(jī)器人和人工智能設(shè)備的開發(fā)。