高性能超分子导电水凝胶用于水陆两栖运动传感监测

研究背景

在过去的几十年里，可穿戴传感器取得了巨大的进步，在运动捕捉、医疗保健、军事、人机交互系统、以及其他与人类活动相关的领域都有广泛的应用。尽管对开发可穿戴传感器进行了广泛的研究，它们仍然需要克服许多严重的挑战。例如，大多数已报道的应变传感器很难同时满足高导电性和机械性能，从而导致低灵活性、高滞后性，以及在发生大变形时不可靠的应变特性。此外，现有的可穿戴设备的应用场景大多是在干燥的陆地环境中。事实上，可穿戴设备在使用中不可避免地会遇到各种潮湿的环境，如人体汗液或自然降雨。因为这些为干燥环境设计的传感器对水很敏感，当暴露在极端潮湿的环境中时它们将遭受结构上的损坏和功能的丧失。因此，开发一种具有优良的机械性能、导电性和对潮湿环境的适应性的传感器，对于扩大可穿戴设备的应用至关重要。

研究成果

导电聚合物水凝胶(CPHs)被广泛用于新兴的柔性电子设备中，因为它们同时具有导体的导电性和水凝胶的机械性能。然而，导电聚合物和水凝胶基体之间的兼容性差，以及在潮湿环境中的膨胀行为，大大影响了 CPHs 的机械和电气性能，限制了它们在可穿戴电子设备中的应用。在此，深圳大学Jinsheng Zhou&西安交通大学黄占东教授等人报告了一种超分子策略，通过在刚性导电聚合物和软性水凝胶基质之间加入氢、配位键和阳离子-相互作用，开发出一种具有优良抗肿胀性能的强韧的CPH。受益于聚合物网络之间的有效相互作用，所获得的超分子水凝胶具有均匀的结构完整性，表现出显著的抗拉强度(1.63 MPa)、卓越的断裂伸长率 (453%)和显著的韧性(5.5 MJ/m3)。作为应变传感器，该水凝胶具有高导电性 (2.16 S m-1)、宽的应变线性检测范围 (0-400%)和出色的灵敏度(测量系数=4.1)，足以监测不同应变窗口的人体活动。此外，这种具有高抗溶胀性的水凝胶已成功地应用于水下传感器，用于监测青蛙的游泳和水下通讯。这些结果揭示了可穿戴传感器两栖应用的新可能性。相关研究以“Strong, Tough, and Anti-Swelling Supramolecular Conductive Hydrogels for Amphibious Motion Sensors”为题发表在Small期刊上。

图文导读

Figure 1. Fabrication and schematic of the PAM-ALG-PPy supramolecular hydrogel.

Figure 2. Characterization and analysis of micro-structure and chemical interactions.

Figure 3. Mechanical performance of the hydrogels.

Figure 4. Strain-sensing properties of PAM-ALG-PPy hydrogel-based Sensor.

Figure 5. Application of PAM-ALG-PPy hydrogel sensor for human motion detection.

Figure 6. Swelling behavior of hydrogels and underwater strain sensing performance of PAM-ALG-PPy hydrogel sensors.

Figure 7. Applications of PAM-ALG-PPy hydrogel sensors for underwater motion detection and underwater communication.

总结与展望

总之，这项工作提出了一种超分子策略，通过使用多价金属阳离子作为引发剂，在 PAM-ALG水凝胶基质中原位聚合导电 PPy 聚合物网络来制备 PAM-ALG-PPy水凝胶。通过配位键氢键和阳离子-T相互作用，延展性和刚性聚合物网络的结合产生了强大的界面相互作用，促进了负载的转移。此外，多种超分子相互作用作为能量耗散机制，使水凝胶在受到外力作用时能更有效地消耗能量。因此，PAM-ALG-PPy 水凝胶表现出优异的拉伸和压缩性能。共扼的PPy纳米颗粒通过超分子相互作用均匀地渗透到弹性网络中，形成高度相互连接的导电通道赋予水凝胶高导电性。当作为应变传感器应用时，该水凝胶具有较大的变形适应性和均匀的结构完整性，可以实时监测大、小应变下的人体运动，表现出显著的广泛感知能力。由于 PP)的疏水性和配位键的结构稳定性，有效地阻止了水分子对聚合物网络的持续渗透，PAM-ALG-PPy 水凝胶在不同的液体环境中表现出优异的抗水肿性能。基于 PAM-ALG-PPy 水凝胶的应变传感器在水下变形时具有稳定的电信号输出。总的来说，这种超分子策略很好地解决了 CPHs领域的一些长期挑战，，为改善CPHs的机械性能、电性能和抗肿胀性能提供了一种方法，这可以扩展到具有特定功能的其他软材料的设计。此外，这项研究还进一步促进了水下机械兼容电子设备的发展，特别是它可能涉及水下生物和工业储能和传感系统，如组织支架、超级电容器、水下传感器和执行器。

文献链接

Strong， Tough， and Anti-Swelling Supramolecular Conductive Hydrogels for Amphibious Motion Sensors

https://doi.org/10.1002/smll.202303612

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