燕大焦体峰、秦志辉/UCLA贺曦敏 AFM：高延展性、低滞后、黏附性TA@MXene-复合有机水凝胶应用于高稳定柔性可穿戴传感器

2024-03-28 来源：高分子科技

随着可穿戴传感器的快速发展，对于集高拉伸性、回弹性、粘附性和长期环境稳定性于一体的多功能导电软材料的需求越来越高。纳米复合水凝胶，尤其是MXene复合水凝胶，由于其高拉伸性和灵敏性，是构建柔性可穿戴传感器极具前景的材料。然而，由于MXene纳米片的易氧化及MXene与聚合物网络间的弱结合力，构建满足上述所有要求的MXene复合凝胶，尤其是大拉伸应变下的低滞后仍然是一个挑战。

基于此，燕山大学焦体峰教授课题组秦志辉副教授与UCLA贺曦敏教授合作报道了一种具有高拉伸、低滞后和环境稳定性等综合性能的MXene复合有机水凝胶，同时具备自粘附性和生物相容性，并探究了其在应变传感和温度传感方面的应用潜力。在该体系中，作者提出了一种界面工程策略，即引入具有高密度羟基的单宁酸（TA）将MXene封装，形成稳定的TA@MXene纳米基元，同时多羟基的存在增加了TA@MXene与聚合物网络之相互作用，形成高密度氢键交联结构。所制备的有机水凝胶表现出高拉伸性（＞500%）、低滞后性（＜3%）和优异的抗疲劳性。此外，由于甘油/水二元溶剂体系的存在，有机水凝胶表现出优异的抗冻性（?40 °C）和抗失水性能（> 7天），确保了其在长期使用和极端条件下的稳定性能。另一方面，由于邻苯二酚基团的存在，有机水凝胶也具有高的粘附性。得益于这些优异的性能，基于有机水凝胶的传感器表现出高应变灵敏度，在宽温度下具有大的工作范围，高可靠性和耐用性，以及高温度敏感性。因此，所构建的柔性可穿戴传感器用于准确检测不同模式下的人体运动和具有高重复稳定性的心电图信号以及体温检测能力。此外，本工作中构建的TA@MXene纳米基元可以引入多种网络结构中，制备高强度的MXene复合凝胶，成为智能传感方面有前景的应用材料。

图1 PHEA-TA@MXene有机水凝胶的制备和表征

图2 PHEA-TA@MXene有机水凝胶的力学性能探究

图3 PHEA-TA@MXene有机水凝胶的环境稳定性

图4 PHEA-TA@MXene有机水凝胶的应变传感性能及作为可穿戴传感器的应用

图5 PHEA-TA@MXene有机水凝胶的温度传感性能及应用

总之，通过界面工程策略，该研究团队发展了构建高拉伸高弹性MXene复合凝胶的新方法，这为未来构建高性能纳米复合凝胶及其应用拓宽了方向。

以上研究成果近期以“Highly Stretchable, Low-Hysteresis, and Adhesive TA@MXene-Composited Organohydrogels for Durable Wearable Sensors”为题发表在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》（DOI：10.1002/adfm.202315813）。燕山大学环境与化学工程学院硕士生刘颖为文章第一作者，通讯作者为燕山大学焦体峰教授、秦志辉副教授及UCLA贺曦敏教授。此研究得到国家自然科学基金和河北省自然科学基金等资助支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202315813

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（责任编辑：xu）

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