柔性電子元器件因其在可穿戴電子設(shè)備和電子皮膚等新興領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景而受到了廣泛的關(guān)注,導(dǎo)電水凝膠具有與人體組織相似的結(jié)構(gòu),兼具柔性和導(dǎo)電性,可提供良好的人機接觸體驗,是制備柔性電子器件的理想材料。然而,傳統(tǒng)水凝膠力學(xué)強度、可拉伸性以及回彈性都較差,制備具有良好機械性能同時兼?zhèn)涓邔?dǎo)電性的水凝膠一直以來都是研究的重點。另外,由于天然皮膚具有自愈能力和對多重外界刺激(如溫度、應(yīng)變和壓力)的感知能力,如何設(shè)計出具有優(yōu)異力學(xué)電學(xué)性能同時集成天然皮膚的多種功能性的水凝膠,拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域以及提高其使用壽命,是近幾年導(dǎo)電水凝膠研究的熱點。
最近,加拿大阿爾伯塔大學(xué)曾宏波教授課題組報道了一種具有高彈性、高拉伸性、自修復(fù)以及溫度響應(yīng)性的水凝膠應(yīng)變/壓力傳感器。該水凝膠 (縮寫為PAAFC-L)的制備是在分散有羧基化多壁碳納米管 (MWCNT)和醛基封端的PEO-PPO-PEO(F127-CHO)膠束以及溶有氯化鋰 (LiCl)的水溶液中,原位引發(fā)丙烯酰胺和氨基功能化單體(AEAM)共聚而實現(xiàn)的。其中,聚丙烯酰胺通過分子間氫鍵構(gòu)筑了該水凝膠的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò),通過與AEAM的共聚,同時實現(xiàn)了與MWCNT (通過靜電相互作用)和F127-CHO (通過席夫堿反應(yīng))的良好界面相互作用,構(gòu)筑了緊密的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),如圖1所示。
圖1. PAAFC-L 水凝膠合成及相互作用示意圖。
該水凝膠具有良好的可拉伸性 (斷裂應(yīng)變1200%),如圖2a和b所示。并且具有優(yōu)異的抗疲勞性能和回彈性,其可被反復(fù)拉伸至10倍以上并幾乎完全回復(fù)原有強度和形狀 (圖2c), 該水凝膠也可以在一定程度上抵抗尖銳物體的破壞(圖2d)。由于其交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)由動態(tài)物理和化學(xué)鍵構(gòu)成,該水凝膠表現(xiàn)出良好的自修復(fù)性能(圖2e)。另外,由于F127-CHO膠束的溫敏性,該水凝膠的透明度隨著溫度改變可發(fā)生快速且可逆的變化,在常溫下是半透明,在人體溫度(37 °C)則變?yōu)橥耆该鳎▓D2f)。
圖2. PAAFC-L水凝膠的 (a,b)拉伸性能、(c,d)回彈性能、(e)自修復(fù)性能和(f)溫敏性。
該水凝膠具有良好的導(dǎo)電性,電導(dǎo)率為3.96 S/m,其對拉伸應(yīng)變和壓力變化都有較高靈敏度。因此,該水凝膠被作為傳感器成功應(yīng)用于監(jiān)測人體的各種大幅度活動和細(xì)微的生理信號,比如手指彎曲、聲帶振動和脈搏跳動,如圖3所示。值得一提的是,當(dāng)其用作監(jiān)測人體脈搏跳動時,可以成功捕捉到運動前后脈搏波形的細(xì)微變化,這在現(xiàn)有水凝膠傳感器中是比較少見的。另外,作者將該水凝膠與睡眠眼罩結(jié)合,將制作的“智能眼罩”用來監(jiān)控睡眠,并在監(jiān)測人體快速眼動睡眠(REM sleep)上取得了較高的敏感度和準(zhǔn)確性,如圖4所示。該水凝膠獨特的高彈性和自修復(fù)性能以及優(yōu)異的傳感性能為導(dǎo)電水凝膠的設(shè)計和應(yīng)用提供了新思路。
圖3. PAAFC-L水凝膠柔性傳感器用于監(jiān)測(a)手指彎曲、(b)聲帶振動和(c)脈搏跳動, (d,e)運動前后脈搏波形變化。
圖4. PAAFC-L水凝膠傳感器用于監(jiān)測睡眠。
這一成果近期以“Ultra elastic, stretchable, self-healing conductive hydrogels with tunable optical properties for highly sensitive soft electronic sensors” 為題發(fā)表在 Journal of Materials Chemistry A上,文章的第一作者是阿爾伯塔大學(xué)化工與材料系博士生武盟,通訊作者為曾宏波教授。
論文鏈接: https://doi.org/10.1039/D0TA09735G
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