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  柔性可穿戴傳感器在實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、人工智能、智能/軟機(jī)器人等方面得到了廣泛應(yīng)用。導(dǎo)電水凝膠由于其獨(dú)特的物理化學(xué)特性而成為可穿戴傳感器領(lǐng)域最有前途的候選之一，它可以模擬人類皮膚，準(zhǔn)確地感知人類生理活動(dòng)(如聲帶振動(dòng)、關(guān)節(jié)和肌肉運(yùn)動(dòng))。然而，力學(xué)性能不足和粘結(jié)性能較差嚴(yán)重阻礙了導(dǎo)電水凝膠在這一新興領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。此外，傳統(tǒng)的導(dǎo)電水凝膠的制造過(guò)程復(fù)雜且耗時(shí)，通常需要外部刺激的幫助，包括長(zhǎng)時(shí)間的紫外線照射、加熱和有毒引發(fā)劑等。

  針對(duì)這些問(wèn)題，北京林業(yè)大學(xué)楊俊副教授課題組利用磺化木質(zhì)素包覆二氧化硅納米顆粒(LSNs)、聚丙烯酰胺(PAM)鏈和鐵離子(Fe³⁺)的協(xié)同作用，制備了一種集成力學(xué)性能、自粘性、紫外線過(guò)濾和穩(wěn)定的電學(xué)性能于一體的高彈性導(dǎo)電水凝膠（圖1）。其中，LSN組分與Fe³⁺活化過(guò)硫酸銨(APS)發(fā)生動(dòng)態(tài)氧化還原反應(yīng)生成自由基，并在60 s內(nèi)引發(fā)AM單體的快速自由基聚合。同時(shí)，LSN組分作為動(dòng)態(tài)連接橋梁，使LSN-Fe/ PAM水凝膠具有優(yōu)越的機(jī)械強(qiáng)度(抗拉和抗壓強(qiáng)度分別為180 kPa和480 kPa)和非凡的彈性(<15%的耗散比)。此外，LSN-Fe/PAM水凝膠還具有機(jī)械順應(yīng)性和耐濕粘附性，即使在劇烈的身體運(yùn)動(dòng)和汗液分泌下也能與人體皮膚無(wú)縫接觸。將其組裝為柔性傳感器，能夠用于高保真檢測(cè)各種應(yīng)變范圍內(nèi)的機(jī)械變形（10-200%），具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。

圖1 基于快速催化和納米強(qiáng)化策略的LSN-Fe/PAM水凝膠的設(shè)計(jì)。

  值得注意的是，在以前的研究中，SNs和木質(zhì)素已分別與Fe³⁺一起使用，但在這兩種情況下獲得的性能都是有限的。例如，單獨(dú)加入SNs可以改善其力學(xué)性能，但不能實(shí)現(xiàn)粘附。另一方面，木質(zhì)素中豐富的鄰苯二酚基團(tuán)使水凝膠具有自粘性和抗紫外性能，而木質(zhì)素由于其復(fù)雜的多酚結(jié)構(gòu)也使其力學(xué)性能較差。因此，作者通過(guò)合成磺化木質(zhì)素包覆二氧化硅納米顆粒(LSNs)，將木質(zhì)素和SNs的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，首次實(shí)現(xiàn)了木質(zhì)素和SNs的協(xié)同作用。

圖2 LSN-Fe/PAM水凝膠中LSN組分的表征及LSN-Fe³⁺中的動(dòng)態(tài)氧化還原反應(yīng)

  基于上述策略文章報(bào)道了一種簡(jiǎn)便的方法，即在木質(zhì)素的存在下，通過(guò)超聲制備LSNs：SNs具有豐富的羥基，這些羥基可以與木質(zhì)素表面的鄰苯二酚形成氫鍵，導(dǎo)致木質(zhì)素沉積在SNs上。SEM觀察在樣品表面發(fā)現(xiàn)了分布均勻的LSNs，表明其成功地融入到導(dǎo)電水凝膠中(圖2a,b)。隨后，作者通過(guò)x射線光電子能譜和UV&#8722;vis紫外吸收光譜等方法證實(shí)了自催化納米增強(qiáng)策略中的動(dòng)態(tài)氧化還原反應(yīng)（圖2d-h）。

圖3 LSN-Fe/PAM水凝膠的力學(xué)性能表征

  隨后作者研究了LSN-Fe/PAM水凝膠的力學(xué)性能。 LSN-Fe/PAM水凝膠的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為69.4 ~ 170 kPa和150 ~ 600 kPa，表明其具有優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)韌性（圖3）。同時(shí)，水凝膠也表現(xiàn)出了出色的裂紋鈍化能力，在高應(yīng)變下，裂紋不會(huì)在樣品中快速擴(kuò)散。此外，當(dāng)循環(huán)拉伸水凝膠到較大的應(yīng)變 (100-700%)時(shí)，耗散能隨應(yīng)變的增加線性增加，而相應(yīng)的耗散比卻很小(<15%)，表明其具有的高彈性，表明該水凝膠能夠承受極大變形和嚴(yán)苛的力學(xué)沖擊。

圖4 LSN-Fe/PAM水凝膠的自粘附性能

  作者還展示了LSN-1.5-Fe/PAM水凝膠的粘附性能，在不同的基板上均表現(xiàn)了良好的粘附性能（圖4）。當(dāng)LSN-1.5-Fe/PAM水凝膠從人的皮膚上剝離時(shí)，在水凝膠的皮膚界面處出現(xiàn)了明顯的粘性纖絲，表明水凝膠與皮膚之間出色的粘附性。這種強(qiáng)大的粘附性使得LSN-Fe/PAM水凝膠即使在劇烈的身體運(yùn)動(dòng)和汗液分泌下也不會(huì)脫落或脫落，有利于為靈活的傳感器收集精確穩(wěn)定的人體信號(hào)。

圖5 電學(xué)和傳感性能

  最后，作者表征了LSN-Fe/PAM水凝膠組裝的柔性傳感器的電學(xué)性能（圖5），隨著導(dǎo)電水凝膠的拉伸，電阻呈線性增加(R² =0.995)。通過(guò)施加不同范圍的應(yīng)變 (10-200%)，傳感器都表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。還觀察到傳感器的響應(yīng)時(shí)間時(shí)間分別為260和271 ms，這足以滿足實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的需求。除了對(duì)拉伸應(yīng)變的響應(yīng)外，導(dǎo)電水凝膠傳感器對(duì)壓縮應(yīng)變也表現(xiàn)出廣泛的壓力敏感性。因此，該傳感器具有較高的線性靈敏度、良好的穩(wěn)定性和耐久性。

  該研究成果以“Ultrafast Fabrication of Lignin-Encapsulated Silica Nanoparticles Reinforced Conductive Hydrogels with High Elasticity and Self-Adhesion for Strain Sensors”為題發(fā)表于《Chemistry of Materials》。論文第一作者是2020級(jí)碩士研究生趙浩南，楊俊副教授為該工作的通訊作者，許鳳教授對(duì)此項(xiàng)研究的完成提供了支持。此項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金和制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金的經(jīng)費(fèi)支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c00934