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長春工大呂雪團隊 Macromolecules：高韌性石墨烯基水凝膠在柔性傳感器中的應用
2023-08-25  來源：高分子科技


  在微電子技術迅速發展的時代，多功能可穿戴設備引起了廣泛的關注。水凝膠作為一種三維軟材料，具有類似于生物組織的兼容性和可供調節的理化性質，在細胞載體、人工電子皮膚和可穿戴設備等方面具有廣闊的應用前景。然而，傳統化學交聯而成的水凝膠通常質地較脆，無法經受較大的形變，且功能單一，無法滿足水凝膠應用的條件。因此，開發出一種多功能性的強韌導電水凝膠具有十分重大的意義。



圖1. PAM@SiO2-NH2/(ILs-GN)水凝膠的合成示意圖


  為了應對這一挑戰，長春工業大學呂雪副教授團隊的謝婷同學在《Macromolecules》期刊發表名為“Simple Fabrication of Silica Amino Sphere-Reinforced Ionic Liquids/Graphene Conductive Hydrogel Sensors with Super Toughness, Self-Healing, and Strain Sensitivity Properties”的論文，研究提出了一種簡單有效的制備方法，采用自由基聚合法制備了PAM@SiO2-NH2/(ILs-GN)復合強韌水凝膠，來探索其作為人工皮膚傳感器在未來應用的可行性。設計融合了丙烯酰胺（AM）、甲基丙烯酸月桂酯（LMA）、石墨烯（GN）、二氧化硅氨基球（SiO2-NH2）和氯化十六烷基-3-甲基咪唑（ILs）。值得注意的是，LMA、SiO2-NH2球和AM通過疏水結合和氫鍵在能量耗散中發揮了關鍵作用，成為動態物理交聯位點，構建超強超韌的水凝膠網絡結構。 


圖2. PAM@SiO2-NH2/(ILs-GN)水凝膠的機械性能圖 


圖3. a）PAM@SiO2-NH2/（ILs-GN水凝膠具有重塑能力，(b) PAM@SiO2-NH2/(ILs-GN) 水凝膠具有良好的自愈合性能，(c) 水凝膠愈合后的應力-應變曲線，(d) 相應的愈合效率和應力


圖4. 不同伸長率（0、50、100 和 200%）下燈管亮度變化的照片


圖5.PAM@SiO2-NH2/(ILs-GN)水凝膠組裝成可穿戴的應變傳感器用于實時監測人體的各種運動


  研究發現PAM@SiO2-NH2/(ILs-GN)納米復合水凝膠具有15318%的高拉伸應變和51.4 MJ/m3的超強韌性。此外，ILs還能促進石墨烯的有效分散，從而在水凝膠中產生卓越的導電性和穩定的電阻變化，導電性測量值為 12 mS/cm。該水凝膠還具有高靈敏度。當作為應變傳感器使用時，水凝膠能夠實時監測人體復雜的各種運動，捕捉大規模變形和微小的細微運動。這些研究結果表明，該水凝膠傳感器在柔性電子皮膚應用方面具有巨大潛力，有望成為多功能傳感器和柔性電極的候選材料，在電子皮膚和人工智能領域具有較強的可擴展性和潛在的應用前景。


  呂雪，吉林大學博士，研究方向包括但不限于柔性可穿戴傳感器件、功能膜材料等。歡迎報考碩士研究生。有意者請聯系lvxueccut@163.com。


  課題組主頁：http://www.jrdgc.com/ss/lvxue/index.html


  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.3c00496

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（責任編輯：xu）
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