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  對外界環(huán)境或人體生理信號等多種刺激作出響應(yīng)是電子皮膚、可穿戴生理監(jiān)測治療裝置等柔性可穿戴傳感設(shè)備的重要要求。滿足以上要求需要考慮的一個重要問題就是電能供給的問題，而傳統(tǒng)電能供給設(shè)計方案不可避免的會用到笨重的外接電源與線纜，這顯然不符合新一代柔性可穿戴傳感器的設(shè)計理念。因此，自供能將是新一代柔性可穿戴傳感器的重要研究方向。一個常見的設(shè)計策略就是將柔性光伏裝置（如太陽能電池）整合進(jìn)柔性可穿戴傳感器。雖然這一設(shè)計方式具有一定的使用可靠性，但整合這些太陽能電池往往需要較高的能源消耗以及較高的溫度，這可能會對柔性可穿戴傳感器中的活性材料造成損害。近年來，基于壓電材料、熱電材料、納米摩擦發(fā)電機(jī)、以及水凝膠原電池的電源作為光伏電源的一種替代方案已得到了許多關(guān)注。雖然上述新型的自供能設(shè)計策略從不同的供電原理出發(fā)，能一定程度上解決柔性傳感器自供能的問題，然而實際的人體生理信號及外界環(huán)境信號是多樣的，這就要求一種傳感器能監(jiān)測多種信號，即需要滿足多重刺激響應(yīng)性。但是，上述的材料設(shè)計往往只能用于某一種信號的監(jiān)測（比如外力）。這就大大限制了以上設(shè)計策略在電子皮膚等方面的應(yīng)用。因此，新一代的自供能柔性傳感器需要進(jìn)行多重刺激響應(yīng)性設(shè)計。

  近期，寧波大學(xué)翁更生副教授團(tuán)隊構(gòu)筑了不同金屬與丙氨酸（Ala）動態(tài)配位交聯(lián)的水凝膠材料，根據(jù)原電池的設(shè)計思路，組裝得到了基于Cu-Zn原電池的自供能水凝膠傳感器。該水凝膠傳感器對外界多種刺激表現(xiàn)出可逆的電信號響應(yīng)性，并兼具柔性、自供能及多重外界刺激響應(yīng)性的特點。其設(shè)計策略與研究方法可望為新型柔性自供能可穿戴電子設(shè)備的開發(fā)提供新思路。

圖1. （a）聚合物分子設(shè)計、配位交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及（b）動態(tài)配位在多種外界刺激下的解絡(luò)合與重新絡(luò)合。

  首先合成了如圖1a所示的聚合物分子。聚合物鏈上的Ala配體可與Cu²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺等多種金屬離子進(jìn)行配位形成動態(tài)配位交聯(lián)水凝膠。其配位鍵在溫度、pH、螯合劑等多種外界刺激下表現(xiàn)出解絡(luò)合與重新絡(luò)合。當(dāng)水凝膠干燥后，環(huán)境濕度的變化也能導(dǎo)致配位鍵的強(qiáng)弱變化。這些水凝膠具有較高的力學(xué)強(qiáng)度、快速自修復(fù)及可拉伸性（圖2）。

圖2. （a-c）基于流變測試的Cu-Ala交聯(lián)水凝膠的力學(xué)性能及自修復(fù)性；（d）Cu-Ala、Zn-Ala交聯(lián)水凝膠的自修復(fù)及可拉伸性。

圖3. （a）基于含Cu-Ala與Zn-Ala配位鍵的水凝膠構(gòu)筑的原電池；（b）多個原電池的傳感可點亮LED燈；（c-d）該水凝膠原電池的V-I曲線、功率密度曲線及放電曲線。M:Ala=1:1。

  將基于Cu-Ala與Zn-Ala配位交聯(lián)的水凝膠組裝可得到水凝膠原電池（圖3a）。多個水凝膠原電池的串聯(lián)可點亮LED燈（圖3b）。該原電池的開路電壓接近于理論值的1.1V，短路電流為5.92 mA/cm²。M-Ala比例對開路電壓的影響很小，但對短路電流的影響較大。這是因為較大的M-Ala比例提高了水凝膠中自由離子的含量。最大功率密度也隨M-Ala比例的提高而增大。在1 mA/cm²條件下對此水凝膠原電池進(jìn)行了恒流放電測試，結(jié)果顯示放電過程持續(xù)了571min，這表明其具有較長的放電時間。進(jìn)一步的研究表明，放電時間隨M-Ala的比例的提高而延長，但是過高的M-Ala比例會削弱動態(tài)配位強(qiáng)度，顯著降低水凝膠的力學(xué)性能，因此，在保證足夠好的力學(xué)性能及電性能的綜合考慮下，選擇了M-Ala為1:1的水凝膠原電池進(jìn)行響應(yīng)性研究。

圖4. M-Ala交聯(lián)水凝膠的溫度刺激電信號響應(yīng)性。

圖5. （a-d）M-Ala交聯(lián)水凝膠的pH刺激電信號響應(yīng)性及（e-f）螯合劑M-Ala交聯(lián)水凝膠的溫度刺激電信號響應(yīng)性。

  此水凝膠原電池在溫度影響下會發(fā)生可逆的凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變溫度在60度左右。此轉(zhuǎn)變發(fā)生后會引起凝膠中自由金屬離子含量的變化，從而使電流產(chǎn)生可逆的強(qiáng)弱變化。在HCl-NaOH的交替影響下，該水凝膠也表現(xiàn)出可逆的凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變。HCl引入了新的電極反應(yīng)，因為對電壓有比較明顯的影響。即HCl的加入會提高電壓，而NaOH的加入則會將升高的電壓降低。此外，競爭性的螯合劑，如：苯甘氨醇，也會通過競爭配位破壞交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，引起凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變，并降低電壓。但苯甘氨醇引起的電壓的降低程度較小。重新加入金屬離子，如Cu²⁺后，提高了自由金屬離子的含量，電壓又會提高。

圖6. （a-d）引入共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)后的雜化交聯(lián)水凝膠原電池的力學(xué)性能；（e-f）雜化交聯(lián)水凝膠原電池的電性能及串聯(lián)成柱狀后可拉伸、彎曲的水凝膠電池用于供電；（h-j）薄片狀原電池在濕度影響下的電壓可逆響應(yīng)。M:Ala=1:1。

  為提高水凝膠原電池的力學(xué)性能及尺寸穩(wěn)定性，作者在Cu-Ala及Zn-Ala水凝膠中引入了聚N,N-二甲基丙烯酰胺共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。這些雜化交聯(lián)水凝膠具有更好的力學(xué)強(qiáng)度和可拉伸性，且能與金屬電極形成較好的粘接，組成Cu-Zn原電池后粘接強(qiáng)度大于Zn-Ala雜化交聯(lián)水凝膠本體的力學(xué)強(qiáng)度。該雜化交聯(lián)水凝膠原電池的基本電性能與未引入共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的原電池接近，而放電時間則更長。將多個這種原電池焊接在一起則可組成串聯(lián)的可拉伸、彎曲的水凝膠電池，用于點亮LED燈。當(dāng)將這種原電池制成薄片狀并干燥后還可用于對濕度的電信號傳感。

  以上研究成果以“Dynamic coordination of metal-alanine to control the multistimuli-responsiveness of self-powered polymer hydrogels”為題發(fā)表于Journal of Materials Chemistry A（Doi: 10.1039/D1TA03836B）。論文第一作者為寧波大學(xué)材化學(xué)院碩士生陳歡，通訊作者為寧波大翁更生副教授。

  文章鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta03836b