汤建新教授课题组《Applied Materials Today》：一种超级坚韧的离子导电水凝胶，用于自供电柔性传感器的开发
在可穿戴电子设备领域，柔性传感器因其直接贴附于人体皮肤、实时监测生理信号的能力而备受关注。然而，传统水凝胶传感器在机械性能、环境适应性以及能源供给等方面存在诸多限制。湖南工业大学的科研团队在这一领域取得了重要进展，他们成功研发了一种新型超强导电水凝胶，具有抗冻、保水和自修复的特性，为自供能柔性传感器的发展提供了新的可能性。相关成果“A super-tough ionic conductive hydrogel with anti-freezing, water retention, and self-regenerated properties for self-powered flexible sensor”发表在2023年4月3日的Applied Materials Today期刊上。论文通讯作者是汤建新教授和龚亮副教授，第一作者是汤力博士和硕士生伍绍吉。
该研究团队首先设计了一种由琼脂/聚(N-羟乙基丙烯酰胺-co-丙烯酸)/Ca2+双网络（agarose/P(HEAA-co-AA)/Ca2+DN）构成的超强导电水凝胶。这种水凝胶通过全物理交联的双网络策略和金属离子配位效应的结合，展现了卓越的机械韧性、高导电性、低冰点和保水能力。(图1)
图1. 琼脂糖/P(HEAA-co-AA)/Ca2+ DN水凝胶的结构和表征。(a) DN水凝胶结构示意图。(b)琼脂糖、P(HEAA-co-AA)/Ca2+ SN水凝胶和琼脂糖/P(HEAA-co-AA)/Ca2+ DN水凝胶的FTIR光谱。(c) DN水凝胶的SEM和(d) EDS图像。(e)琼脂糖/P(HEAA-co-AA)水凝胶和琼脂糖/P(HEAA-co-AA)/Ca2+水凝胶的XPS总谱，(f) Ca谱，(g) O谱。
实验表明，该水凝胶的韧性高达12.54 ± 0.48 MJ /m3，导电性为10.18 ± 1.23 mS /cm−1，冰点低于-80 °C，且在25 °C和40%相对湿度下长期储存后，能保持约102%的原始重量。其次，值得一提的是，这种新型水凝胶不仅在自然环境中不易失水，而且即使在脱水情况下，也能通过从周围环境中自发捕获水分来恢复其初始的机械和电性能(图2)。这一特性使得该水凝胶在极端环境下，如极地或沙漠地区，具有广泛的应用前景。
图2. 琼脂糖/P(HEAA-co-AA)/Ca2+ DN水凝胶的防冻、保水和自再生性能。(a) 琼脂糖/P(HEAAco-AA) DN水凝胶和琼脂糖/P(HEAA-co-AA)/Ca2+ DN水凝胶的DSC曲线。(b) 低温下DN水凝胶的力学性能和 (c) 电学性能。(d) DN水凝胶长期储存图像，比例尺为0.5 cm。(e) 不同CaCl2浓度下DN水凝胶的失重情况。(f) 琼脂糖/P(HEAA-co-AA)/Mn+ DN水凝胶的保水性。(g) 添加30 wt % CaCl2的DN水凝胶脱水-复水曲线。(h) DN水凝胶经过1、2、3次脱水/自生循环后的力学和电学性能。
研究团队进一步利用这种超强导电水凝胶，结合摩擦电纳米发电技术，构建了一种自供能的柔性传感器。这种透明且高度可拉伸的柔性传感器不仅能够自发地为手指弯曲和微小的面部行为输出电压信号，而且还能组装成智能电子手套，实现手势识别，显示出在可穿戴电子领域的巨大应用潜力(图3)。
图3. 琼脂糖/P(HEAA-co-AA)/Ca2+ DN水凝胶柔性传感器的结构与传感性能。(a) 一种夹层结构的水凝胶柔性传感器。(b) 基于水凝胶的柔性传感器的自供电机制。基于水凝胶的柔性传感器通过 (c) 拍打、(d) 弯曲手指、(e) 张嘴、(f) 书写“OK”以及 (g) 识别人类手势所产生的电压变化。
该工作得到了国家自然科学基金（51774128）和湖南省教育厅科研基金（21C0425）的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.apmt.2023.101820
