扬州大学吴德峰/解文媛团队《ACS AMI》：双交联复合有机水凝胶的多模式传感

2022-12-04 来源：高分子科技

水凝胶具有独特的物理化学性质，包括易调节的变形性和刚度，出色的透明度和导电性，以及自愈能力和生物相容性，赋予了水凝胶基柔性器件从合成，组装，到功能的多种可能性。然而，水凝胶易低温冻结或高温脱水，这极大地限制了其作为柔性器件衬底的应用。迄今为止，研究人员已经成功地开发出多种有效的策略来提高水凝胶的抗冻性，包括引入多元醇、离子液体、电解质或改性聚合物等，而溶剂交换是最常见的实施途径之一，由此获得的交换体系也称为有机水凝胶。

目前针对有机水凝胶的研究主要聚焦在：1) 提高其对极端环境 (高真空、酸、碱、盐、低/高温的耐受性；2) 改善有机水凝胶的强度和韧性，以延长其在生物承载组织(如人工骨骼肌)中的使用寿命；3) 开发新型刺激响应的有机水凝胶以创建新的功能器件。其中，在体系中构筑多重网络或多种交联至关重要。

图1. PAM/PVA/MXene复合水凝胶和有机水凝胶的合成路线及网络结构

本研究利用丙三醇作为交换溶剂制备了PAM/PVA/MXene有机水凝胶。该体系内具有两种类型的交联结构，即：MBA共价交联的PAM作为主交联，MXene纳米片物理交联的PVA/PAM次级交联（图1）。通过控制溶剂交换时间，可以很好地调控该有机水凝胶体系的机械性能和传感性能。双重交联的设计使体系具有超拉伸性，优化后的样品延伸率高达2800%，远远高于已有报道的复合有机水凝胶（图2）。在经历极端环境后(如低温(?20℃)、高温 (60℃) 和真空)，样品仍然具有优异的应变电阻效应（图3），因此可以作为一种具有良好环境稳定性的应变/压力传感器。

图2. PAM/PVA/MXene复合有机水凝胶的刺激响应单元和力学性能

图3. PAM/PVA/MXene复合有机水凝胶（极端环境下）对人体运动的感知能力

此外，利用该复合有机水凝胶制成的织物和薄膜还可以感知到微弱振幅的压缩变形（如编入摩斯密码或者写入拼音字母），因此可用于收集和传输信息（图4）。动态的MXene?PVA/PAM交联结构还可作为热刺激响应单元，赋予体系具有优异的热感知能力，从而使样品可以作为温度传感器捕捉由于热或者光照产生的微弱的温度变化产生的电阻变化，可作为热开关控制光刺激信号（图5），TCR值优异。这项工作为开发综合性能优越的多模式传感器有机水凝胶提供了有价值的信息。

图4. PAM/PVA/MXene复合有机水凝胶的压力传感能力（摩斯编码）

图5. PAM/PVA/MXene复合有机水凝胶的热感知能力

该工作以‘Ultrastretchable Composite Organohydrogels with Dual Cross-Links Enabling Multimodal Sensing’为题发表于ACS Applied Materials & Interfaces上，扬州大学化学化工学院的博士生蒋晨光为第一作者，吴德峰教授和解文媛老师为通讯作者。

全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c18667

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（责任编辑：xu）

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