北化于中振教授/杨丹教授团队Nano Energy：基于自粘附、自愈合、生物相容性导电聚丙烯酰胺纳米复合水凝胶的应变和压力传感器

2023-03-18 来源：高分子科技

近年来，可穿戴智能传感器在人机交互传感、健康评估和运动监测等方面极大地重塑了人类的生活方式。随着人类需求的不断增加，对于多功能传感器的研究逐渐成为重要的发展方向。传统可穿戴传感器中常用的金属电极具有质量大、成本高以及损伤后无法愈合的缺点，并需要额外的胶带或绷带固定在人体上，增加了佩戴时的不适感。采用传统电池和电容器等能源设备，直接供给传感器能量，不仅带来环境污染问题，同时增加成本。此外，传统传感器往往只能通过单一的工作模式去感受外界某一特定的刺激如温度、压力或者应变，这些问题都极大程度地限制了传感器的应用与发展。

北京化工大学于中振教授、杨丹教授团队通过向聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶中分散聚多巴胺修饰的碳纳米管（PDA@CNTs），制备获得具有自黏附、自愈合和生物相容性的导电纳米复合水凝胶材料（PDA@CNT/PAM）。进一步可将其构筑成基于压阻效应的应变和基于摩擦纳米发电效应的压力传感器（图1）。其中，聚多巴胺上丰富的邻苯二酚基团之间的氢键和π-π相互作用使PDA@CNT/PAM水凝胶具有优异的自愈合和自粘性能（图2）。在没有任何刺激的情况下，PDA@CNT/PAM水凝胶在室温下愈合6 h后，愈合率达到97.26%，这保证了其在恶劣环境中作为应力应变传感器的长期应用。基于PDA@CNT/ PAM的应变传感器具有高达3.93的GF和快速响应时间，其可以精确监测手指、手腕和肘关节的弯曲运动（图3）。此外，基于PDA@CNT/PAM的摩擦电纳米发电机使得压力和电压之间具有良好的线性关系（图4），并可以应用于智能手套和模拟天平中（图5）。基于PDA@CNT/PAM摩擦电纳米发电机压力传感器的智能指环，使患者仅需利用手指的敲击便可通过人机交互快速准确地表达情绪，方便医生进行及时诊断（图6）。结合压阻效应与摩擦纳米发电机的PDA@CNT/PAM水凝胶基的应变和压力传感器在可穿戴和柔性电子产品、智能机器人、个性化医疗通信、智慧用药和人机交互方面显示出巨大的应用潜力。

图1. PDA@CNT/PAM水凝胶的合成路线图以应用展望

图2.PDA@CNT/PAM水凝胶的基本性能表征

图3. PDA@CNT/PAM水凝胶基应变传感器的性能测试

图4. PDA@CNT/PAM水凝胶基摩擦纳米发电机的性能测试

图5. 基于PDA@CNT/PAM水凝胶摩擦纳米发电机压力传感器所制备的智能手套和模拟天平来识别物体形状、材料与称量物体重量的应用

图6. PDA@CNT/PAM水凝胶摩擦纳米发电机压力传感器作为智能指环通过摩斯密码与人机交互实现病人与医生之间的快速沟通的应用。

相关工作以“Self-adhesive, self-healing, biocompatible and conductive polyacrylamide nanocomposite hydrogels for reliable strain and pressure sensors”为题发表在能源领域顶级期刊Nano Energy（10.1016/j.nanoen.2023.108324）上。论文第一作者为北京化工大学材料科学与工程学院博士生李永吉，通讯作者为北京化工大学于中振和杨丹教授。该论文得到了国家自然科学基金、北京市科技新星计划和中央高校基础研究基金的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108324

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（责任编辑：xu）

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