MXene诱导的柔性、保水、半互穿网络水凝胶，用于超稳定应变传感器的实时姿态识别

研究背景

随着科学技术的飞速发展，传统的刚性电子器件已不能满足电子皮肤 (E-skin)、个性化医疗监护、软机器人、人机交互等新兴领域的发展需求。柔性电子器件包括导电聚合物 (包括复合导电聚合物和本征导电聚合物)、碳基纳米材料(如碳纳米管、石墨烯和MXenes)、液态金属 (如)、金属纳米线 (如银纳米线和金纳米线) 以及半导体材料 (如硅和锗)。因此，它们可被视为柔性电子设备的功能材料。

作为一种水饱和交联聚合物网络，原始水凝胶 (指不含导电填料的水凝胶，称为 P 型水凝胶)是近年来被广泛研究的一种复合导电聚合物基材料。与其他基础材料相比，P-水凝胶具有普通聚合物所不具备的独特性能。这可以通过改变单体材料的类型和聚合条件来实现，包括但不限于粘附性、自愈性和网络结构。因此，可以根据实际要求制备各种 P 型水凝胶。然而，P 型水凝胶缺乏电荷载体和/或移动电荷，其导电性主要取决于吸水性，这就降低了其导电性。失水后，导电性和固有特性(如柔韧性)都会丧失。因此，有必要制备具有更和谐、更均匀特性的复合水凝胶(C-水凝胶)，并且为了提高导电性，有必要确定合适的导电填充材料作为载体。为了提高稳定性必须加强内部结构与水分子之间的相互作用，以提高保水性，为了降低水凝胶的毒性，必须改进交联剂。因此，合适的导电填料、交联剂和保水剂对于制备性能优异的有效水凝胶至关重要。

研究成果

作为水饱和聚合物网络，水凝胶是一个不断壮大的软材料家族，最近已成为柔性电子应用的理想候选材料。然而，基于水凝胶的应变传感器仍难以实现机械性能、导电性和保水性的有机统一。中科院半导体所王丽丽研究员&吉林大学韩炜教授等人为解决这一难题，在模板的基础上，充分利用 MXene 纳米片的优异性能(丰富的表面官能团、高比表面积、亲水性和导电性)制备了 P(AA-CO-AM)/MXene@PDADMAC半互穿网络(semi-IPN)水凝胶。所制备的水凝胶在室温下储存 30 天后仍能保持良好的应变响应和柔韧性，并且在 1100 次循环后其性能也没有降低。考虑到这些特性，利用机器学习成功开发并优化了一种基于水凝胶的将手语转换成汉字的设备。因此，本研究为水凝胶家族提供了新的见解和应用方向。相关研究以“MXene-Induced Flexible, Water-Retention, Semi-Interpenetrating Network Hydrogel for Ultra-Stable Strain Sensors with Real-Time Gesture Recognition”为题发表在Advanced Science期刊上。

图文导读

Figure 1. The basic properties of MXene-gel.

Figure 2. Interaction between structure and water in different hydrogels.

Figure 3. Sensing characteristics of the strain sensor.

Figure 4. Stability characterizations of MXene-gel.

Figure 5. Wearable sign language-Chinese character conversion machine based on MXene-gel.

总结与展望

本研究利用AA和AM在 MXene@PDADMAC 存在下的模板共聚合成了P(AA-coAM)/MXene@PDADMAC 半 IPN 水凝胶。在 MXene gels 中，各组分之间的氢键和静电作用产生了优异的机械性能、高导电性和水凝胶保水性。作为一种交联剂，MXene 纳米薄片不仅可以作为导电填料提高水凝胶的导电性，还能因其亲水性和官能团而提高水凝胶的保湿性。一系列物理表征和补充实验证明，P(AA-CO-AM)/MXene@PDADMAC 半IPN 水凝胶具有独特的结构(蜂窝状腔室结构)、高应变性能(高灵敏度和稳定性)和优异的保湿性(40d 不干燥)。此外，还开发了一种基干机器学习的水凝胶装置，用于将手语转换成汉字，方便听障人士与普通人进行日常生活交流。

文献链接

MXene-Induced Flexible, Water-Retention, Semi-Interpenetrating Network Hydrogel for Ultra-Stable Strain Sensors with Real-Time Gesture Recognition

https://doi.org/10.1002/advs.202303922

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