华南理工大学：自修复、可回收、导电的多重动态相互作用水凝胶

颗粒在线讯：导电水凝胶由于与生物组织相似、耐磨性好、信息采集精度高，已成为多功能应变传感器的候选材料。然而，由于缺乏交联结构与性能之间的结合机制，制备同时具有高灵敏度、显著机械性能、优异的传感稳定性、快速响应和低检测限的水凝胶传感器一直是一个挑战。此外，由于应变传感器在自然条件下的不可降解性和不完全可回收性，电子废弃物会逐渐增多。因此，迫切需要开发具有优异机械强度、显著自愈能力、环境降解能力和可回收性的导电水凝胶应变传感器来检测微小变形。

华南理工大学陈克复院士团队报告了一种简单的策略，通过分子水平的多动态相互作用(MMDI)设计了一种自修复、可回收和导电的水凝胶基应变传感器，获得的明胶/DATNFC/Fe3+水凝胶（GDIH）与纯明胶水凝胶相比，拉伸强度（990.7%）和抗压强度（3822.7%）显著增加，且有着非凡的压缩应力(1310 kPa)、自愈能力和导电性。该水凝胶被开发为多功能应变传感器，具有高应变灵敏度（在6%应变下，GF=2.24）和压缩灵敏度（在15 kPa下，S=1.14 kPa-1），可用于制造电子皮肤并准确识别检测微小变形引起的电生理信号，具有传感稳定性和快速压缩响应时间（200 ms）。该研究以题为“Self-healing, Recyclable and Conductive Gelatin/Nanofibrillated Cellulose/Fe3+ Hydrogels Based on Multi-Dynamic Interactions for Multifunctional Strain Sensors”发表在《Materials Horizons》上，通讯作者为该团队的王斌副教授、李金鹏博士与徐峻教授。

【GDIH水凝胶的制备】

MMDI水凝胶是通过溶胶-凝胶反应和离子浸入法制备的，无需复杂的分子设计和复杂的化学反应。基本配方主要由明胶、双醛-（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基）-氧化纳米纤维化纤维素（DATNFC）和Fe3+组成。DATNFC充当了一个关键桥梁，可以利用其丰富的醛/羧基与-NH2、-OH和Fe3+相互作用，分别形成希夫碱、氢键和配位键。所有这些都是动态的，能够可逆地断裂和重建，提供了凝胶优异的机械性能和优异的自愈能力。

图1：水凝胶的合成示意图

【GDIH水凝胶的机械性能】

合成的GDIH水凝胶可以被大范围拉伸和按压，经手指按压后可以恢复到原来的高度。形成的动态化学键可以通过有效的能量耗散机制在连续应变下断裂和重组。由于纳米复合水凝胶中存在稳定的双网络（DN），随着Fe3+的增加，GDIH的抗压强度呈上升趋势，超过了之前发表的许多水凝胶。与纯明胶相比，拉伸强度和压缩强度分别提高了990.7%和3822.7%。拉伸过程中的抗疲劳试验表明，在应变为35%的连续10次加载-卸载循环后，预循环后的水凝胶的抗拉强度几乎可以保持不变，表现出出色的抗疲劳性能。

图2：GDIH水凝胶的机械性能表征

【GDIH水凝胶的电学性能】

水凝胶被用作导体来构建导电电路，LED灯泡在不同的压力下显示出不同的亮度，对不同应变具有良好的敏感性和稳定性。归因于离子的迁移，增加的相对电阻变化与拉伸应变成正呈现线性增加。当水凝胶被拉伸时，导电路径的长度变长，导电网络变得松散。离子传输受到限制，导致体电阻增加。结果表明，由于这种良好的线性关系，校准过程可以简化，从而提高信号精度，确保了检测人体运动和电生理信号的可靠性。将水凝胶组装成可穿戴式应变传感器，以实时检测复杂的身体运动。正如预期的那样，当肘关节完全弯曲到90°时，传感器显示出明显的特征信号峰值；当肘关节伸直时，相对阻力立即恢复到原始状态。

图3：GDIH水凝胶的电学性能表征

【GDIH水凝胶用于传感器】

此外，基于水凝胶的传感器可以用来检测人的书写笔迹。单独的字母（A、B、C、D）在峰数上显示出明显的差异，组合字母中的A、B、C、D的相应信号与单独字母的信号一致。这表现出显著的书写重复性，表明其作为电子设备记录手写的卓越能力。由两位不同的研究人员手写的同一单词的相对电阻变化和峰形是不同的，在书写防伪领域显示出巨大的潜力。组装了一个4×4水凝胶阵列，用于检测电子皮肤中广泛应用的二维力和应变分布。结果表明，该策略可以扩展到制作用于电子皮肤应用的高度集成的小凝胶像素阵列。

图4：笔迹传感器与电子皮肤力传感器表征

【小结】

综上所述，该研究通过溶胶-凝胶法和离子渗透法两步工艺制备了一种新型纳米复合水凝胶基传感器，拉伸和压缩强度分别比纯明胶水凝胶高出近990.7%和3822.7%，表现出显著的机械性能（压应力高达1310 422 kPa）、优异的灵敏度（6%应变下应变灵敏度高达2.24，15 kPa下压缩灵敏度高达1.14 kPa-1）、传感稳定性、自愈性和可回收性，为解决机械强度和传感之间长期存在的困境提供了可行的方案。所开发的应变传感器是一种良好的电子设备，具有大规模生产的潜在商业化潜力，可广泛应用于医疗监测、软机器人和人工智能设备的开发。