導電水凝膠作為生物電子材料在人機交互技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。但是，低溫結(jié)冰和水分蒸發(fā)帶來的性能下降是限制其應(yīng)用的瓶頸。為解決這一問題，華南理工大學陳港團隊制備了基于MXene的導電有機水凝膠，該凝膠在-36-60℃的溫度范圍內(nèi)都能保持極好的柔性和極高的電導率，同時具有良好的環(huán)境穩(wěn)定性（超過7天），最高能夠承受1500%的應(yīng)變，并且應(yīng)變靈敏度達到8.1。該研究以題為“MXene-Based Conductive?Organohydrogels?with Long-Term Environmental Stability and Multifunctionality”發(fā)表在《Advanced?Functional Materials》上，況宇迪博士后和陳港教授為該論文的共同通訊作者。
【有機水凝膠的制備以及形貌】
作者利用甘油作為抗凍劑，纖維素作為力學支撐骨架，聚丙烯酰胺作為彈性骨架，MXene作為導電骨架，利用簡便的紫外光固化，制備了如圖所示的導電有機水凝膠（PTCM-Gly）。該有機水凝膠是由內(nèi)部相互貫穿并相互作用的多重網(wǎng)絡(luò)組成的，因此展示出了極好的可拉伸性，電響應(yīng)性以及環(huán)境穩(wěn)定性。PTCM-Gly5與PTCM-Gly1相比具有更好的柔性，同時從微觀形貌看出，PTCM-Gly5內(nèi)部的孔洞更小，這也說明甘油起到了抑制冰晶生長的作用。
圖1?PTCM-Gly的制備過程以及機理圖
圖2 纖維素，MXene以及PTCM-Gly的微觀形貌
【PTCM-Gly的機械以及電學穩(wěn)定性】
隨后，作者表征了PTCM-Gly的抗凍性能以及循環(huán)穩(wěn)定性。結(jié)果表明，隨著甘油的加入，PTCM-Gly的抗凍性能逐漸提高，其中PTCM-Gly5在-36℃下仍然能夠保持極好的可拉伸性。此外，PTCM-Gly5在環(huán)境中放置7天后，質(zhì)量保持率能達到80%左右，同時最大應(yīng)變能夠保持在1000%以上，展示出了極好的環(huán)境穩(wěn)定性。此外，經(jīng)過不同應(yīng)變的拉伸循環(huán)后，PTCM-Gly仍能保持較好的機械穩(wěn)定性。
此外，作者還研究了PTCM-Gly5作為傳感器件的靈敏度以及在不同溫度下的電學穩(wěn)定性。作為傳感器件，PTCM-Gly5的應(yīng)變靈敏度能夠達到8.21。PTCM-Gly5還能夠分辨出不同的拉伸速率（40-200 mm/min）。更重要的是，PTCM-Gly5不僅能夠及時響應(yīng)小應(yīng)變（1-5%），還能及時的響應(yīng)大的應(yīng)變（20-320%），展示出極好的傳感性能。此外，PTCM-Gly5在-36℃和60℃下，電導率分別為1.1 mS/cm和1.9 mS/cm，顯示出了極好的溫度穩(wěn)定性。
圖3?PTCM-Gly的機械穩(wěn)定性
圖4?PTCM-Gly的電學穩(wěn)定性以及靈敏度
【PTCM-Gly5的自修復(fù)性以及自粘附性】
PTCM-Gly5除了具有極好的力學和電學穩(wěn)定性之外，還具有極好的自粘附性，能夠很好的粘附在皮膚、PTFE、木材、金屬、塑料、玻璃和橡膠等材料表面，展示出良好的應(yīng)用前景。其中，在木材表面的粘結(jié)強度達到了117 N/m。此外，PTCM-Gly5還具有極好的自修復(fù)性，在切成兩半后，經(jīng)過2s的接觸就能恢復(fù)良好的導電性，同時最大應(yīng)變能夠達到接近1200%。
圖5?PTCM-Gly的自修復(fù)以及自粘附性
【PTCM-Gly5的實際應(yīng)用】
作者隨后研究了PTCM-Gly5的傳感性能。結(jié)果表明，自修復(fù)后的PTCM-Gly5仍能夠分辨出應(yīng)變快慢的變化。同時，PTCM-Gly5器件能夠監(jiān)測跑步的速度、面部表情以及說話的詞語等，在智能人機交互方向展示出了良好的應(yīng)用潛力。
圖6?PTCM-Gly的應(yīng)用展示
【總結(jié)】作者利用簡便的方法制備了具有優(yōu)異的拉伸性、極好的抗凍性、長時間環(huán)境穩(wěn)定性、可逆粘附性以及高靈敏度的導電有機水凝膠材料。該材料同時具有良好的自修復(fù)性能，對大小應(yīng)變都具有極高的靈敏度，為制備高性能水凝膠傳感器用于人機交互領(lǐng)域提供的新的思路。
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