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2019-10-31
水凝胶作为一种富含水分的三维材料，根据其高弹性、透明性和生物相容性等特性已被广泛应用于隐形眼镜、化妆品、组织工程、伤口敷料等领域。近来出现的导电水凝胶在传感器及柔性电子器件领域具有非常广泛和重要的应用。然而，传统水凝胶会在低温条件下由于结冰而失去原有性能，在限制了其在低温条件下的应用。
最近，武汉大学王洋（第一作者）、吕昂副教授和张俐娜院士成功制备出一种抗冻的离子导电纤维素水凝胶，可用作拉伸、压缩及温度传感器。不同于传统水凝胶，其抗冻特性使得其在零下温度仍然可以良好工作。
本工作指出，纤维素水凝胶具有抗冻和导电性能的关键在于苄基三甲基氢氧化铵，这种有机碱的水溶液是该团队开发出的新型纤维素溶剂体系中的一种。在对纤维素溶液进行化学交联后，作为溶剂的有机碱没有如传统制备流程那样被洗去，而是直接保留了下来，其作为电解质的特性赋予了纤维素水凝胶整体以抗冻和导电的性能。
▲图a与图b分别为洗去溶剂的传统纤维素水凝胶与抗冻纤维素水凝胶在低温下的表现，图c则将两者放在一起比对其低温下压缩回复性（左为抗冻纤维素水凝胶，右为传统纤维素水凝胶）
研究者在-24 ℃的低温下将抗冻导电水凝胶固定于手指关节，无论以同一幅度手指快速屈伸或是以不同幅度缓慢屈伸，导电水凝胶的电阻相对变化值均能随着手指动作示出相应的幅度的变化，并且几乎检测不到噪音或滞后现象，水凝胶也没有因拉伸而发生永久形变，表明了导电水凝胶在低温下具有稳定的力学性能和灵敏的拉伸-电阻响应性能。
▲图a为抗冻水凝胶在低温下的导电性，图b和图c均为抗冻水凝胶作为拉伸传感器在低温下模拟手指弯曲动作的响应信号
不仅如此，研究者还将介电弹性体置于导电水凝胶之间可制成“双响应”传感器，具有电容-压敏和电阻-温敏的双重传感性能，进一步实验证明了这两种响应方式不会相互干扰。表明这种基于抗冻导电水凝胶的传感器具有稳定的机械和热灵敏度，具有快速可靠、稳定可逆的响应性能和适用于低温使用的特性，可用于复杂温度环境下的软性人工智能器件。
▲图a为“双响应”传感器的结构，图d为其电容-压缩响应原理，图b和图c均为电容-压缩响应信号，图g为其电阻-温度响应原理，图e为电阻-温度响应标准曲线，图f为其在循环变温下的响应信号
研究报告发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。
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