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華南農(nóng)大胡傳雙教授、林秀儀副教授、徐江濤副教授 Adv. Sci.:雙網(wǎng)絡離子水凝膠實現(xiàn)可穿戴電子器件電磁屏蔽與自供電傳感一體化
2025-07-03  來源:高分子科技

  心血管植入電子設備(CIEDs)面臨高頻電磁干擾和功能集成的雙重挑戰(zhàn)。本研究創(chuàng)新性地開發(fā)了一種基于雙網(wǎng)絡離子水凝膠策略的多功能材料(h-CA-PAM-Li+),實現(xiàn)了高效電磁屏蔽(EMI SET高達63.75 dB) 與自供電生理信號監(jiān)測的集成。該水凝膠以海藻酸鈉(SA/Ca2+物理交聯(lián)網(wǎng)絡和聚丙烯酰胺(PAM)化學交聯(lián)網(wǎng)絡構(gòu)成雙網(wǎng)絡骨架,通過調(diào)控Li+濃度梯度與水化效應,構(gòu)建了以離子極化-界面弛豫為核心的吸收主導型屏蔽機制(A>R)。得益于優(yōu)異離子電導率(最高51.48 S cm-1),該水凝膠被封裝在PDMS薄膜中制成自供電傳感器,集成無線模塊后可實時捕獲心跳等生理信號,在動態(tài)環(huán)境中保持高靈敏度和抗干擾能力。這種無傳統(tǒng)導電填料的材料兼具生物相容性、低成本和可設計性,為植入式電子設備的電磁防護與智能監(jiān)測提供了一種材料-器件-系統(tǒng)一體化解決方案。




  近期,華南農(nóng)業(yè)大學胡傳雙教授/林秀儀副教授/徐江濤副教授團隊,以“Ionic Double-Network Hydrogels for Integrated Electromagnetic Shielding and Self-Powered Sensing in Wearable Electronics”為題在《Advanced Science》上發(fā)表研究文章。文章第一作者是華南農(nóng)業(yè)大學博士研究生王臣臣。團隊提出雙網(wǎng)絡離子水凝膠策略(SA/Ca2+ 物理交聯(lián) + AM原位聚合PAM化學交聯(lián)),以低成本離子鹽溶液替代傳統(tǒng)填料。通過調(diào)控鹽濃度(Li+)與水化效應,協(xié)同優(yōu)化離子濃度梯度與遷移通道(CAG-block單元與Li?特異性配位形成定向通道),構(gòu)建以強離子極化-界面弛豫為主導的高效電磁波吸收機制。利用水凝膠優(yōu)異離子電導率,設計并制造集成電磁屏蔽與自供電傳感(基于摩擦電效應)功能的柔性電極,實現(xiàn)保護與監(jiān)測一體化。



1. CA-PAM-Li+ h-CA-PAM-Li+水凝膠設計與合成示意圖


  采用海藻酸鈉(SA)與鈣離子(Ca2+)交聯(lián)形成第一網(wǎng)絡;同時,丙烯酰胺(AM)單體在引發(fā)劑過硫酸銨(APS)和交聯(lián)劑N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAA)的作用下進行原位聚合,形成聚丙烯酰胺(PAM)第二網(wǎng)絡,從而構(gòu)建出雙網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。引入鋰離子(Li+)使其與海藻酸鏈上的G嵌段單元(G-block)發(fā)生特異性配位作用,形成定向的離子傳輸通道 最后 通過水化處理進一步優(yōu)化離子遷移路徑并增強界面弛豫效應。



2. (a) LiCl(b) H2O (c) LiCl-H2O 的表面靜電勢,(d)(e) 離子水凝膠系統(tǒng)中的離子導電路徑


  DFT計算結(jié)果表明,Li+與水分子間的距離(0.189 nm)顯著短于Cl-H原子間的距離(0.253 nm),證實了Li+-H2O相互作用更強,這有利于電荷轉(zhuǎn)移過程。在水凝膠體系中,表面豐富的親水基團(-OH, -COOH, -NH2)通過氫鍵有效固定水分子,形成連續(xù)的三維(3D)自由體積網(wǎng)絡,從而構(gòu)建了多尺度的離子遷移通道。其中,G-block單元與Li+的特異性配位進一步促進了離子的定向傳輸。同時,聚丙烯酰胺(PAM)鏈上的氨基通過氫鍵網(wǎng)絡形成了富集水合Li+的局部微環(huán)境,有效降低了Li+脫溶劑化過程的能壘。此外,水化處理增強了LiCl-H2O體系表面靜電勢分布的復雜性和非均勻性,有利于提升偶極極化損耗。



3. (a, b) 不同 Li+ 濃度的 CA-PAM-Li+水凝膠在X波段的電磁干擾屏蔽性能,(c) 傳導性,(d) 衰減常數(shù),(e) 阻抗匹配,(f) SEA/SET


  Li+ 濃度對CA-PAM- Li+水凝膠的電磁干擾屏蔽效能EMI SET具有顯著影響SET值隨Li+濃度的增加而提高其中1.0 M樣品CA-PAM-Li+-1.0展現(xiàn)出最優(yōu)性能30.29 dB。這主要歸因于高電導率增強了材料與電磁波(EMW)的相互作用。然而,電導率并非唯一決定因素,因為電導率最高的2.0 M樣品(CA-PAM-Li+-2.0)其SET并非最優(yōu)。性能最優(yōu)的1.0 M樣品關(guān)鍵在于其優(yōu)異的綜合電磁性能:高衰減常數(shù)(α)表明材料內(nèi)部具有更強的電磁波損耗能力,允許更多EMW進入并被有效耗散;阻抗匹配值(Z)0.4-0.9之間(接近1為最佳),配合適中的電導率,顯著提高了EMW進入材料內(nèi)部的概率,減少了表面反射;同時,SEM觀察揭示該樣品具有獨特的蜂窩狀微觀結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)增加了EMW在材料內(nèi)部的傳播路徑和多重反射/散射機會,進一步促進了能量耗散。最終,1.0 M樣品的吸收效能(SEA)貢獻了總SET93.49%,其吸收系數(shù)(A=0.63)顯著高于反射系數(shù)(R=0.3),明確證實其屏蔽機制以吸收主導為核心。



4. (a) 導電性,(b, c) 不同Li+濃度的h-CA-PAM-Li+水凝膠在X波段的電磁干擾屏蔽性能(d) h-CA-PAM-Li+-1.0CA-PAM-Li+-1.0性能比較(e) 阻抗匹配,(f) 衰減常數(shù),(g)水凝膠放置不同時間的實物圖片,(h, i) h-CA-PAM-Li+水凝膠放置不同時間的電磁干擾屏蔽性能。


  經(jīng)水合處理后,h-CA-PAM-Li+系列水凝膠的電導率和電磁干擾屏蔽總效能(EMI SET)均獲得顯著提升。其中,h-CA-PAM- Li+-1.0的平均SET高達63.75 dB,相較于未水合的CA-PAM-Li?-1.0提升了110.4%,其吸收效能(SEA)達到60 dB左右(占總SET93%以上),對應的屏蔽效率(SE)超過99.9999%。性能的提升主要源于以下機制的協(xié)同增強: 水化作用顯著提高了離子電導率,從而增強了傳導損耗;體系中引入的更多水分子大幅提升了極化損耗能力(體現(xiàn)為高介電常數(shù),且水分子通過氫鍵網(wǎng)絡增加了極化界面);同時,優(yōu)化后的阻抗匹配(Z值在0.6-1.0之間)使得更多電磁波(EMW)能夠進入材料內(nèi)部被吸收,而非在表面反射;此外,材料的衰減常數(shù)(α)也得到顯著提高,進一步強化了其內(nèi)部損耗EMW的能力。值得注意的是,該材料展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性與可恢復性。 盡管放置15天后因水分蒸發(fā)導致SET降至44.67 dB,但通過簡單的重新水合處理即可有效恢復性能(例如30天后重新水合,其SET仍可恢復至43.62 dB)。這種優(yōu)異的性能維持能力得益于體系中LiCl固有的高吸濕性,有助于材料在環(huán)境中的水分保持。



5. (a) SEA/SET(b) h-CA-PAM-Li+-1.0水凝膠的屏蔽效率,(c)功率系數(shù)(d) EMI屏蔽水凝膠的性能對比圖(e) EMI 屏蔽水凝膠的實際應用(f) h-CA-PAM-Li+水凝膠的 EMI 屏蔽機理圖


  h-CA-PAM-Li+-1.0水凝膠展現(xiàn)超高效吸收主導型電磁屏蔽特性,其吸收效能占比(SEA/SET>95%,總屏蔽效能(SET)達63.75 dBSE>99.9999%),且吸收-反射系數(shù)比(A/R>1.25。在同等厚度下,該材料的SETA/R值顯著優(yōu)于近期報道的水凝膠/有機凝膠體系。實際應用中,該材料成功將筆記本電腦輻射場強(61 V/m, 0.61 μT)實時抑制至安全閾值(<40 V/m, <0.4 μT)。其卓越性能源于三重協(xié)同損耗機制。離子電導網(wǎng)絡(Li+提升電導率,強化傳導損耗)、極化增強體系(水分子通過氫鍵網(wǎng)絡提升偶極/界面極化能力,異質(zhì)界面(PAM/CA/H2O/Li+)優(yōu)化界面極化)及結(jié)構(gòu)耗散路徑(多重反射/散射)。



6. (a) h-CA-PAM-Li+水凝膠的優(yōu)勢和靈活的傳感應用(b)拍手(c)手指敲擊(ef)平靜和運動時的心跳監(jiān)測。


  以PDMS薄膜封裝的h-CA-PAM-Li+水凝膠作為電極,構(gòu)建了基于摩擦電效應和靜電感應的單電極模式自供電傳感器,通過接觸-分離運動將機械能直接轉(zhuǎn)化為電信號。該器件在動態(tài)響應測試中展現(xiàn)出高靈敏度與快速響應特性。手掌拍打和手指敲擊產(chǎn)生的信號幅度與作用力呈正相關(guān),且能清晰區(qū)分接觸面積和頻率變化;同時可穩(wěn)定感知10g100g靜態(tài)壓力梯度。在生理監(jiān)測應用中,貼附于人體胸部時可實時捕獲高信噪比心跳信號(平靜狀態(tài)下呈典型正弦波形),特別在運動狀態(tài)下,通過自適應濾波算法仍能有效提取加速心率特征,驗證了其在動態(tài)環(huán)境中的抗干擾能力。


  本研究通過材料設計-機制調(diào)控-器件集成策略,成功開發(fā)出兼具高效電磁吸收與自供電傳感功能的雙網(wǎng)絡離子水凝膠(h-CA-PAM-Li+),為植入式電子設備的電磁兼容性問題提供突破性解決方案。該工作為設計集電磁防護、能量收集與生物傳感于一體的先進功能材料提供范式,在可穿戴醫(yī)療電子及健康監(jiān)測領域具廣闊應用前景。


  【原文信息】

  C. Wang, Y. Ding, T. Wu, Z. Li, C. Hu, Z. Wang, Y. Zhou, X. Lin, W. Zhang, J. Xu, Ionic Double-Network Hydrogels for Integrated Electromagnetic Shielding and Self-Powered Sensing in Wearable Electronics. Adv. Sci. 2025, e09115.

  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/advs.202509115

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