导电水凝胶和有机水凝胶为基础的可拉伸传感器

导电性水凝胶由于其固有的可拉伸性、可调节的导电性、生物相容性、多刺激敏感性和自修复能力，在可拉伸/可穿戴传感器领域引起了广泛的关注。基于水凝胶的有机水凝胶传感器的最新进展，包括一种新的传感机制，出色的性能和广泛的应用场景，表明水凝胶在可拉伸电子领域具有巨大的潜力。然而，关于水凝胶和有机水凝胶传感器的工作原理、独特性能和应用前景的系统总结仍然缺乏。在这个聚光灯下，我们介绍了基于水凝胶和有机水凝胶的可拉伸传感器的最新进展，主要包括四个部分:提高水凝胶的稳定性，有机水凝胶的制造和表征，工作原理，以及不同类型传感器的性能。我们特别强调了我们最近在基于聚丙烯酰胺/卡拉胶双网络水凝胶和乙二醇/甘油改性有机水凝胶的超伸缩和高性能应变、温度、湿度和气体传感器方面的工作，这些水凝胶是通过易溶溶剂置换策略获得的。有机水凝胶比相应的水凝胶具有更高的稳定性(耐干燥和耐冷冻)和传感性能。介绍了传感器的传感机理、影响传感器性能的关键因素及应用前景。特别是，我们发现聚合物网络对离子传输的阻碍作用是适用于所有这四种传感器的关键机制之一。

(a)合成有机水凝胶的三种方法:(1)在二元溶剂中凝胶化，(2)有机溶剂置换，(3)有机水凝胶在脱水水凝胶上原位聚合。(b)用于监测环境和生理信号的水凝胶/有机水凝胶传感器示意图

(a)在- 18°C下放置1小时后的不同水凝胶/有机水凝胶样品的照片。这些样品是通过将预合成的水凝胶浸泡在不同浓度的Eg/Gly水二元溶液中1小时产生的。(b - e) a部分中样品2 - 5的照片，显示出优异的拉伸性。(f)水凝胶在- 18°C下放置6小时后的照片。(g)照片显示f部分中的样品3被拉伸到900%的应变。(h)水凝胶和鸡蛋-有机水凝胶在温和条件下(40°C, 55% RH)放置4 - 50小时的照片。(i)照片显示，在40°C和55% RH下保存50小时后，鸡蛋-有机水凝胶可以扭曲540°，弯曲155°。(j和k)在温和条件下(65% RH, 25°C)，原始水凝胶、Eg-和gy -有机水凝胶的失重和归一化阻力随时间的变化图。(l)恶劣条件下(37% RH, 60°C)水凝胶/有机水凝胶失重的时间演变。

通过将有机水凝胶与LED指示灯连接在电路中来研究其自愈能力。(a - c)显示egg -有机水凝胶在切割过程中的自愈能力的照片:切割前(a)，分叉后自愈(b)，自愈后以156%拉伸应变拉伸(c)。(d - f)显示gy -有机水凝胶在此过程中的自愈能力的照片:切割前(d)，分叉后自愈(e)，以及自愈后以170%拉伸应变拉伸(f)。(g−i)显示鸡蛋-有机水凝胶(用蓝色染料标记)在过程中暴露于环境空气9个月后的自愈能力的照片:切割前(g)，完全分叉后(h)和自愈(i)。

示意图说明基于电阻型(a)和电容型(b)配置的水凝胶/有机水凝胶传感器的工作原理。

(a)建议的湿度感应机制。(b)水分子与PAM/CA有机水凝胶官能团通过氢键相互作用示意图。(c)通过与吸湿性EG/Gly分子形成氢键来增强水分子在有机水凝胶上的吸收，从而提高稳定性和湿度响应性。

(a)水凝胶和Eg-和gly -有机水凝胶对RH从90%降低到24%的动态响应。(b)实验获得的(点)和线性拟合的(线)响应相对于RH曲线。(c, d) gly -有机水凝胶对人体呼吸的动态响应。响应/恢复时间从单个传感周期中提取。(e) 0和100%菌株下鸡蛋-有机水凝胶对不同RHs的动态响应。(f)不同含水量(以初始阻力表示)的鸡蛋有机水凝胶对不同RHs的响应。

(a) Gly、PAM、CA上NO2分子与官能团之间形成氢键促进NO2吸附的示意图。(b)建议的二氧化氮感应机制。(c)水凝胶/有机水凝胶对不同气体的反应比较，包括100ppm CO2、饱和甲醇、乙醇、丙酮、甲苯蒸气、72% RH、50ppm NH3和2ppm NO2。

PAM/CA水凝胶的室温气敏特性。(a)水凝胶对浓度从1 ppm降至0.1 ppm的NO2的动态响应。(b)随NO2浓度的线性拟合响应。(c)水凝胶对1ppm NO2在不同力学变形(包括平态、180°扭转和180°弯曲)下的实时响应。插图是相同的DN水凝胶在相应变形下的照片。(d)水凝胶分别在0、50和100%浓度下对1 ppm NO2的动态响应。(e)水凝胶和gly -有机水凝胶对5 ~ 0.5 ppm NO2的动态响应。(f) 9个月内水凝胶(补液或不补液)和糖有机水凝胶对2 ppm NO2的反应比较。

在本文中，我们简要总结并重点介绍了我们在探索离子导电水凝胶和有机水凝胶可拉伸传感器方面所做的努力，以及它们的工作原理和性能改进的有效策略。为了获得坚韧和可逆的力学性能，我们合成了具有丰富氢键和有效能量耗散的PAM/CA DN水凝胶，使其具有优异的拉伸性和自愈能力。为了解决水凝胶固有的干燥和冷冻耐受性差的问题，我们开发了一种简单而通用的溶剂替代策略，在水凝胶中引入Eg和Gly等多元醇，从而提高了水凝胶传感器的稳定性和灵敏度。这也扩展了水凝胶的应用范围，特别是在极端环境条件下。可以预见，导电水凝胶/有机水凝胶传感器将以其独特的特性、多样的材料选择和令人印象深刻的性能在可穿戴和可拉伸电子领域得到推广。

转自：“科研一席话”微信公众号

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