山东农业大学王晓琳课题组《Mater. Horiz.》：高效自愈合和高回弹的荧光双网络离子液体凝胶用于人体运动监测

2023-01-13 来源：高分子科技

随着科技的快速发展，柔性电子器件在人体运动监测、可穿戴设备、人机界面及疾病诊断等诸多领域有着重要的应用前景。离子导电凝胶因灵活可调的力学性能、与皮肤接近的黏弹性模量以及类皮肤的离子传输机制，成为构建柔性传感器的优异选择之一。其中，以离子液体为分散和导电介质的离子液体凝胶，不仅有效避免了传统水凝胶中溶剂水易挥发和凝固的缺陷，而且展现出与离子液体本身相媲美的高稳定性和导电性。然而，目前基于离子液体凝胶构筑的柔性应变传感器仍然存在迟滞性高、疲劳阈值低和使用寿命短等问题，制备具有综合优异性能的离子液体凝胶以发展高性能柔性传感器依然是一个挑战性课题。

基于此，山东农业大学王晓琳课题组利用多功能离子液体凝胶开发了一种优异的柔性离子传感器。该工作中的离子液体凝胶由共价交联的聚合物网络及动态共价交联的天然多糖生物分子网络组成（图1），展现出超高的透明度、阻燃性、强黏附、宽温度窗口、高回弹以及长久的机械稳定性等综合性能；从动态建构化学出发对分子功能改性所引入的动态亚胺键，赋予凝胶自修复能力，可在几分钟内从分子水平实现“伤口”的快速愈合；独特的凝胶诱导荧光发射使其在诸多柔性传感器中脱颖而出。相关工作以“Fluorescent double network ionogels with fast self-healability and high resilience for reliable human motion detection”为题发表在期刊《Materials Horizons》上，硕士研究生赵相杰为论文第一作者，王晓琳副教授为论文的通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和山东省自然科学基金的资助。

图1. 双网络离子液体凝胶的示意图及其基本性质

当凝胶暴露于紫外光照下，离子液体凝胶发射出强烈的黄绿色荧光（图2），而前驱体溶液则无荧光发射现象；该现象可解释为凝胶诱导荧光发射/增强（gelation-induced/enhanced emission）。进一步的研究结果表明，离子液体凝胶的荧光来源于芳香化合物均苯三甲醛的聚集：当前驱体溶液在紫外光的照射下逐渐凝胶化，体系中的亚胺键及各类非共价相互作用使均苯三甲醛被固定于网络结构中，限制了其分子内运动；由于AIE现象导致了荧光型离子液体凝胶的产生。

图2. 离子液体凝胶的荧光性质

凝胶网络中的氨基化琼脂糖和均苯三甲醛可以通过席夫碱反应生成动态可逆的亚胺键，赋予该离子液体凝胶高效的自愈合能力（图3）。当离子液体凝胶受到外力破损后，可以在环境条件下进行快速自我修复，于几分钟内实现“伤口”的愈合。作者从宏观和微观角度证实了其自愈合的机制。

图3. 离子液体凝胶的自愈合性

该双网络离子液体凝胶展现出良好的力学性能（图4）。流变学测试表明该类凝胶具有较高的机械强度和良好的黏弹性，是一类典型的弹性占主导的类固体凝胶材料；拉伸和压缩测试进一步证实了双网络结构对凝胶力学性质的提升效果。循环加载-卸载曲线中较小的滞后圈表明凝胶具有优异的回弹性，这是由于保存完整的网络结构所致。当受到外力作用时，尽管网络结构中的部分交联点会被破坏，但体系中大量存在的动态共价键和非共价键可以充当临时交联点以维持微观网络结构的完整性，因此凝胶表现出突出的回弹性。500次连续循环拉伸实验表明凝胶具有显著的抗疲劳性能和机械稳定性。

图4. 离子液体凝胶的力学性质

图5. 柔性应变传感器用于人体运动监测

研究表明，本文所构筑的柔性传感器可以灵敏地监测和辨别不同的人体运动，具有响应速度快、灵敏度高、耐持久和宽温度使用范围的优势（图5）。这项工作为高性能可穿戴式柔性传感器的开发提供了新思路，推动了其在健康监测领域的实际应用。

原文链接：https://doi.org/10.1039/D2MH01325H

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻