长春工大吕雪团队 Macromolecules：高韧性石墨烯基水凝胶在柔性传感器中的应用

2023-08-25 来源：高分子科技

在微电子技术迅速发展的时代，多功能可穿戴设备引起了广泛的关注。水凝胶作为一种三维软材料，具有类似于生物组织的兼容性和可供调节的理化性质，在细胞载体、人工电子皮肤和可穿戴设备等方面具有广阔的应用前景。然而，传统化学交联而成的水凝胶通常质地较脆，无法经受较大的形变，且功能单一，无法满足水凝胶应用的条件。因此，开发出一种多功能性的强韧导电水凝胶具有十分重大的意义。

图1. PAM@SiO₂-NH₂/(ILs-GN)水凝胶的合成示意图

为了应对这一挑战，长春工业大学吕雪副教授团队的谢婷同学在《Macromolecules》期刊发表名为“Simple Fabrication of Silica Amino Sphere-Reinforced Ionic Liquids/Graphene Conductive Hydrogel Sensors with Super Toughness, Self-Healing, and Strain Sensitivity Properties”的论文，研究提出了一种简单有效的制备方法，采用自由基聚合法制备了PAM@SiO₂-NH₂/(ILs-GN)复合强韧水凝胶，来探索其作为人工皮肤传感器在未来应用的可行性。设计融合了丙烯酰胺（AM）、甲基丙烯酸月桂酯（LMA）、石墨烯（GN）、二氧化硅氨基球（SiO₂-NH₂）和氯化十六烷基-3-甲基咪唑（ILs）。值得注意的是，LMA、SiO₂-NH₂球和AM通过疏水结合和氢键在能量耗散中发挥了关键作用，成为动态物理交联位点，构建超强超韧的水凝胶网络结构。

图2. PAM@SiO₂-NH₂/(ILs-GN)水凝胶的机械性能图

图3. a）PAM@SiO₂-NH₂/（ILs-GN水凝胶具有重塑能力，(b) PAM@SiO₂-NH₂/(ILs-GN) 水凝胶具有良好的自愈合性能，(c) 水凝胶愈合后的应力-应变曲线，(d) 相应的愈合效率和应力

图4. 不同伸长率（0、50、100 和 200%）下灯管亮度变化的照片

图5.PAM@SiO₂-NH₂/(ILs-GN)水凝胶组装成可穿戴的应变传感器用于实时监测人体的各种运动

研究发现PAM@SiO₂-NH₂/(ILs-GN)纳米复合水凝胶具有15318%的高拉伸应变和51.4 MJ/m³的超强韧性。此外，ILs还能促进石墨烯的有效分散，从而在水凝胶中产生卓越的导电性和稳定的电阻变化，导电性测量值为 12 mS/cm。该水凝胶还具有高灵敏度。当作为应变传感器使用时，水凝胶能够实时监测人体复杂的各种运动，捕捉大规模变形和微小的细微运动。这些研究结果表明，该水凝胶传感器在柔性电子皮肤应用方面具有巨大潜力，有望成为多功能传感器和柔性电极的候选材料，在电子皮肤和人工智能领域具有较强的可扩展性和潜在的应用前景。

吕雪，吉林大学博士，研究方向包括但不限于柔性可穿戴传感器件、功能膜材料等。欢迎报考硕士研究生。有意者请联系lvxueccut@163.com。

课题组主页：http://www.polymer.cn/ss/lvxue/index.html

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.3c00496

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（责任编辑：xu）

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