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山東農業大學王曉琳課題組《Mater. Horiz.》：高效自愈合和高回彈的熒光雙網絡離子液體凝膠用于人體運動監測

2023-01-13 來源：高分子科技

隨著科技的快速發展，柔性電子器件在人體運動監測、可穿戴設備、人機界面及疾病診斷等諸多領域有著重要的應用前景。離子導電凝膠因靈活可調的力學性能、與皮膚接近的黏彈性模量以及類皮膚的離子傳輸機制，成為構建柔性傳感器的優異選擇之一。其中，以離子液體為分散和導電介質的離子液體凝膠，不僅有效避免了傳統水凝膠中溶劑水易揮發和凝固的缺陷，而且展現出與離子液體本身相媲美的高穩定性和導電性。然而，目前基于離子液體凝膠構筑的柔性應變傳感器仍然存在遲滯性高、疲勞閾值低和使用壽命短等問題，制備具有綜合優異性能的離子液體凝膠以發展高性能柔性傳感器依然是一個挑戰性課題。

基于此，山東農業大學王曉琳課題組利用多功能離子液體凝膠開發了一種優異的柔性離子傳感器。該工作中的離子液體凝膠由共價交聯的聚合物網絡及動態共價交聯的天然多糖生物分子網絡組成（圖1），展現出超高的透明度、阻燃性、強黏附、寬溫度窗口、高回彈以及長久的機械穩定性等綜合性能；從動態建構化學出發對分子功能改性所引入的動態亞胺鍵，賦予凝膠自修復能力，可在幾分鐘內從分子水平實現“傷口”的快速愈合；獨特的凝膠誘導熒光發射使其在諸多柔性傳感器中脫穎而出。相關工作以“Fluorescent double network ionogels with fast self-healability and high resilience for reliable human motion detection”為題發表在期刊《Materials Horizons》上，碩士研究生趙相杰為論文第一作者，王曉琳副教授為論文的通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金和山東省自然科學基金的資助。

圖1. 雙網絡離子液體凝膠的示意圖及其基本性質

當凝膠暴露于紫外光照下，離子液體凝膠發射出強烈的黃綠色熒光（圖2），而前驅體溶液則無熒光發射現象；該現象可解釋為凝膠誘導熒光發射/增強（gelation-induced/enhanced emission）。進一步的研究結果表明，離子液體凝膠的熒光來源于芳香化合物均苯三甲醛的聚集：當前驅體溶液在紫外光的照射下逐漸凝膠化，體系中的亞胺鍵及各類非共價相互作用使均苯三甲醛被固定于網絡結構中，限制了其分子內運動；由于AIE現象導致了熒光型離子液體凝膠的產生。

圖2. 離子液體凝膠的熒光性質

凝膠網絡中的氨基化瓊脂糖和均苯三甲醛可以通過席夫堿反應生成動態可逆的亞胺鍵，賦予該離子液體凝膠高效的自愈合能力（圖3）。當離子液體凝膠受到外力破損后，可以在環境條件下進行快速自我修復，于幾分鐘內實現“傷口”的愈合。作者從宏觀和微觀角度證實了其自愈合的機制。

圖3. 離子液體凝膠的自愈合性

該雙網絡離子液體凝膠展現出良好的力學性能（圖4）。流變學測試表明該類凝膠具有較高的機械強度和良好的黏彈性，是一類典型的彈性占主導的類固體凝膠材料；拉伸和壓縮測試進一步證實了雙網絡結構對凝膠力學性質的提升效果。循環加載-卸載曲線中較小的滯后圈表明凝膠具有優異的回彈性，這是由于保存完整的網絡結構所致。當受到外力作用時，盡管網絡結構中的部分交聯點會被破壞，但體系中大量存在的動態共價鍵和非共價鍵可以充當臨時交聯點以維持微觀網絡結構的完整性，因此凝膠表現出突出的回彈性。500次連續循環拉伸實驗表明凝膠具有顯著的抗疲勞性能和機械穩定性。

圖4. 離子液體凝膠的力學性質

圖5. 柔性應變傳感器用于人體運動監測

研究表明，本文所構筑的柔性傳感器可以靈敏地監測和辨別不同的人體運動，具有響應速度快、靈敏度高、耐持久和寬溫度使用范圍的優勢（圖5）。這項工作為高性能可穿戴式柔性傳感器的開發提供了新思路，推動了其在健康監測領域的實際應用。

原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D2MH01325H

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（責任編輯：xu）

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