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陜科大白陽團隊《Small》：可用于水下傳感的耐久型聚輪烷水凝膠傳感器

2024-10-11 來源：高分子科技

隨著人們增加對游泳潛水等水下活動的關注，水下信號傳輸和體感技術的發展需求也日益增高。柔性可穿戴傳感器可以捕捉和記錄實時運動，對保證水下安全起著至關重要的作用。與傳統的基于復合材料的可穿戴傳感器設備相比，導電水凝膠具有優異的物理和化學性能，如韌性、透明度、粘附性和良好的導電性，這些使其成為最有前途的水下可穿戴傳感器的候選材料之一。目前，盡管基于導電水凝膠的可穿戴傳感器在常規環境下已經取得了一些重大進展，但由于其在水生環境中的不穩定性，實現其在水下的應用仍然是至關重要且極具挑戰性的。為了實現導電水凝膠在水生環境中的使用，需要考慮保水性、抗膨脹性、韌性、黏附性、線性靈敏度傳感、長期使用等綜合性能，但這在以往的報道中卻很少見。

陜西科技大學白陽副教授團隊提出了用陽離子單體和芳香單體以及聚輪烷基交聯劑制備導電水凝膠的方法。由于分子間陽離子-π相互作用和基于滑動環的聚輪烷拓撲結構，導電水凝膠具有良好的力學性能、粘接性能和抗膨脹性能。基于滑環的拓撲結構有效地緩解了應力集中。此外，植酸的封裝使導電水凝膠即使在室溫下直接放置240天后仍能保持其功能。值得注意的是，他們設計的導電水凝膠在探測陸地/水下人體運動方面都具有穩定的線性靈敏度，并可以作為莫爾斯電碼信號發射器進行信息傳輸。因此，此類導電水凝膠（AR-PR）在水下可穿戴傳感器領域具有一定的應用潛力。相關成果Cation‐π Interactions Based Conductive Hydrogels with Slide‐Ring Structure Toward Super Long‐Time in‐air/Underwater Linear Sensing and Communication于近期發表在《Small》。

圖1 聚輪烷導電水凝膠的設計制備及其性能研究

AP-PR導電水凝膠傳感器因其高導電性、柔韌性和自粘性能，展現出作為可穿戴應變傳感器的潛力。基于滑環的網絡設計可有效減少應力集中，確保在0-300%應變范圍內保持線性和穩定的靈敏度（GF為2.72且具有線性效應）。水凝膠傳感器在小應變和大應變循環中均表現出優異的可逆性和響應靈敏度，能夠準確監測膝關節、肘關節和手腕等多個部位的運動，還能捕捉微小的肌肉動作，如吞咽和表情變化等。陽離子-π和疏水相互作用的協同作用有助于實現 AP-PR的抗溶脹性能，也使該水凝膠可以快速粘附在空氣中的各種基材上。此外，即使在水下條件下，粘接體系也很穩定。得益于AP-PR的抗膨脹和粘接特性，其在水下能夠保持穩定的導電性和抗干擾能力，可以在水下環境中監測人體運動和捕獲電子信號。水下環境中，AP-PR在0-300%應變范圍內的線性靈敏度為0.78，能夠穩定捕捉水下手指和關節運動的電子信號，表現出優秀的抗干擾能力。其穩定性使得AP-PR能夠在復雜水下環境中檢測通過莫爾斯電碼傳輸的遇險信號（SOS及UP）。

圖2 聚輪烷水凝膠的水下傳感和通訊應用

值得注意的是，由于植酸與水分子的相互作用，AP-PR水凝膠傳感器可以限制水分子的蒸發，表現出優異的保水能力。因此，AP-PR作為可穿戴傳感器，無論在空氣中還是在水下，都具有長期使用的能力。在室溫條件下直接放置240天后，AP-PR的重量仍保持穩定，顯示出優異的耐溫和保水能力。240天后，AP-PR水凝膠傳感器仍保持穩定的線性GF為 2.001，仍然可以用于空氣和水下中的傳感。在空氣接收到大小應變和人體運動時，水凝膠傳感器也表現出良好的電信號可逆性和快速響應性；且AP-PR在水下保持線性穩定的GF為0.332。此外，在水下靜態狀態下檢測手指運動以及模擬水下干擾條件下傳輸莫爾斯電碼信號均表現出良好的重復性和穩定性。AP-PR證明了水凝膠超長時間的保水性能以及在水下傳感應用的潛力。與以往報道的基于導電水凝膠的同類傳感器相比，AP-PR在綜合力學性能、抗膨脹和保水性、穩定的空氣和水下線性傳感性能、超長使用時間等方面均表現出優異的綜合性能。

圖3 240天后聚輪烷水凝膠的空氣/水下傳感性能研究

陜西科技大學為本論文的唯一發表單位，論文通訊作者為陜西科技大學化學與化工學院白陽副教授，主要工作由課題組碩士生師雨欣等人完成。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202406902

下載：Cation‐π Interactions Based Conductive Hydrogels with Slide‐Ring Structure Toward Super Long‐Time in‐air/Underwater Linear Sensing and Communication

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（責任編輯：xu）

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