顆粒在線訊：導(dǎo)電水凝膠由于與生物組織相似、耐磨性好、信息采集精度高，已成為多功能應(yīng)變傳感器的候選材料。然而，由于缺乏交聯(lián)結(jié)構(gòu)與性能之間的結(jié)合機(jī)制，制備同時(shí)具有高靈敏度、顯著機(jī)械性能、優(yōu)異的傳感穩(wěn)定性、快速響應(yīng)和低檢測(cè)限的水凝膠傳感器一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。此外，由于應(yīng)變傳感器在自然條件下的不可降解性和不完全可回收性，電子廢棄物會(huì)逐漸增多。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度、顯著自愈能力、環(huán)境降解能力和可回收性的導(dǎo)電水凝膠應(yīng)變傳感器來(lái)檢測(cè)微小變形。

華南理工大學(xué)陳克復(fù)院士團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種簡(jiǎn)單的策略，通過(guò)分子水平的多動(dòng)態(tài)相互作用(MMDI)設(shè)計(jì)了一種自修復(fù)、可回收和導(dǎo)電的水凝膠基應(yīng)變傳感器，獲得的明膠/DATNFC/Fe3+水凝膠（GDIH）與純明膠水凝膠相比，拉伸強(qiáng)度（990.7%）和抗壓強(qiáng)度（3822.7%）顯著增加，且有著非凡的壓縮應(yīng)力(1310 kPa)、自愈能力和導(dǎo)電性。該水凝膠被開(kāi)發(fā)為多功能應(yīng)變傳感器，具有高應(yīng)變靈敏度（在6%應(yīng)變下，GF=2.24）和壓縮靈敏度（在15 kPa下，S=1.14 kPa-1），可用于制造電子皮膚并準(zhǔn)確識(shí)別檢測(cè)微小變形引起的電生理信號(hào)，具有傳感穩(wěn)定性和快速壓縮響應(yīng)時(shí)間（200 ms）。該研究以題為“Self-healing, Recyclable and Conductive Gelatin/Nanofibrillated Cellulose/Fe3+ Hydrogels Based on Multi-Dynamic Interactions for Multifunctional Strain Sensors”發(fā)表在《Materials Horizons》上，通訊作者為該團(tuán)隊(duì)的王斌副教授、李金鵬博士與徐峻教授。

【GDIH水凝膠的制備】

MMDI水凝膠是通過(guò)溶膠-凝膠反應(yīng)和離子浸入法制備的，無(wú)需復(fù)雜的分子設(shè)計(jì)和復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)?；九浞街饕擅髂z、雙醛-（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基）-氧化納米纖維化纖維素（DATNFC）和Fe3+組成。DATNFC充當(dāng)了一個(gè)關(guān)鍵橋梁，可以利用其豐富的醛/羧基與-NH2、-OH和Fe3+相互作用，分別形成希夫堿、氫鍵和配位鍵。所有這些都是動(dòng)態(tài)的，能夠可逆地?cái)嗔押椭亟?，提供了凝膠優(yōu)異的機(jī)械性能和優(yōu)異的自愈能力。

圖1：水凝膠的合成示意圖

【GDIH水凝膠的機(jī)械性能】

合成的GDIH水凝膠可以被大范圍拉伸和按壓，經(jīng)手指按壓后可以恢復(fù)到原來(lái)的高度。形成的動(dòng)態(tài)化學(xué)鍵可以通過(guò)有效的能量耗散機(jī)制在連續(xù)應(yīng)變下斷裂和重組。由于納米復(fù)合水凝膠中存在穩(wěn)定的雙網(wǎng)絡(luò)（DN），隨著Fe3+的增加，GDIH的抗壓強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，超過(guò)了之前發(fā)表的許多水凝膠。與純明膠相比，拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度分別提高了990.7%和3822.7%。拉伸過(guò)程中的抗疲勞試驗(yàn)表明，在應(yīng)變?yōu)?5%的連續(xù)10次加載-卸載循環(huán)后，預(yù)循環(huán)后的水凝膠的抗拉強(qiáng)度幾乎可以保持不變，表現(xiàn)出出色的抗疲勞性能。

圖2：GDIH水凝膠的機(jī)械性能表征

【GDIH水凝膠的電學(xué)性能】

水凝膠被用作導(dǎo)體來(lái)構(gòu)建導(dǎo)電電路，LED燈泡在不同的壓力下顯示出不同的亮度，對(duì)不同應(yīng)變具有良好的敏感性和穩(wěn)定性。歸因于離子的遷移，增加的相對(duì)電阻變化與拉伸應(yīng)變成正呈現(xiàn)線性增加。當(dāng)水凝膠被拉伸時(shí)，導(dǎo)電路徑的長(zhǎng)度變長(zhǎng)，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)變得松散。離子傳輸受到限制，導(dǎo)致體電阻增加。結(jié)果表明，由于這種良好的線性關(guān)系，校準(zhǔn)過(guò)程可以簡(jiǎn)化，從而提高信號(hào)精度，確保了檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)和電生理信號(hào)的可靠性。將水凝膠組裝成可穿戴式應(yīng)變傳感器，以實(shí)時(shí)檢測(cè)復(fù)雜的身體運(yùn)動(dòng)。正如預(yù)期的那樣，當(dāng)肘關(guān)節(jié)完全彎曲到90°時(shí)，傳感器顯示出明顯的特征信號(hào)峰值；當(dāng)肘關(guān)節(jié)伸直時(shí)，相對(duì)阻力立即恢復(fù)到原始狀態(tài)。

圖3：GDIH水凝膠的電學(xué)性能表征

【GDIH水凝膠用于傳感器】

此外，基于水凝膠的傳感器可以用來(lái)檢測(cè)人的書(shū)寫(xiě)筆跡。單獨(dú)的字母（A、B、C、D）在峰數(shù)上顯示出明顯的差異，組合字母中的A、B、C、D的相應(yīng)信號(hào)與單獨(dú)字母的信號(hào)一致。這表現(xiàn)出顯著的書(shū)寫(xiě)重復(fù)性，表明其作為電子設(shè)備記錄手寫(xiě)的卓越能力。由兩位不同的研究人員手寫(xiě)的同一單詞的相對(duì)電阻變化和峰形是不同的，在書(shū)寫(xiě)防偽領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。組裝了一個(gè)4×4水凝膠陣列，用于檢測(cè)電子皮膚中廣泛應(yīng)用的二維力和應(yīng)變分布。結(jié)果表明，該策略可以擴(kuò)展到制作用于電子皮膚應(yīng)用的高度集成的小凝膠像素陣列。

圖4：筆跡傳感器與電子皮膚力傳感器表征

【小結(jié)】

綜上所述，該研究通過(guò)溶膠-凝膠法和離子滲透法兩步工藝制備了一種新型納米復(fù)合水凝膠基傳感器，拉伸和壓縮強(qiáng)度分別比純明膠水凝膠高出近990.7%和3822.7%，表現(xiàn)出顯著的機(jī)械性能（壓應(yīng)力高達(dá)1310 422 kPa）、優(yōu)異的靈敏度（6%應(yīng)變下應(yīng)變靈敏度高達(dá)2.24，15 kPa下壓縮靈敏度高達(dá)1.14 kPa-1）、傳感穩(wěn)定性、自愈性和可回收性，為解決機(jī)械強(qiáng)度和傳感之間長(zhǎng)期存在的困境提供了可行的方案。所開(kāi)發(fā)的應(yīng)變傳感器是一種良好的電子設(shè)備，具有大規(guī)模生產(chǎn)的潛在商業(yè)化潛力，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療監(jiān)測(cè)、軟機(jī)器人和人工智能設(shè)備的開(kāi)發(fā)。