开发能够对人们身体各运动尺度进行监测的透明柔性传感器是非常有意义的。然而，由于导电网络对材料网络的负面作用，同时实现柔性传感器高延展性、高灵敏度和良好线性等性能依然是一项艰巨的挑战。梯度结构，作为一种普遍存在于自然生物体中，往往能够赋予材料优异的力学性能。

  因此，广州大学吴旭团队徐秀彬等人基于梯度结构的优势，在《ACS Applied Materials & Interface》期刊上发表了题为“A Surface-Confined Gradient Conductive Network Strategy for Transparent Strain Sensors toward Full-Range Monitoring“的文章（DOI：10.1021/acsami.1c14875）。为了解决导电网络对水凝胶网络结构的负面影响，该团队通过采用快速浸泡的策略，将导电聚合物限域在水凝胶表面，避免其在水凝胶网络的大范围分布而降低力学性能。同时，由于在浓度梯度的驱动下，导电网络在水凝胶表面处的分布也会相应地实现梯度分布，从而成功在水凝胶中构筑了表面限域梯度导电网络结构。该梯度导电网络结构能显著改善水凝胶柔性传感器的灵敏度和线性关系。

图1 具有表面限域梯度导电网络结构水凝胶柔性应变传感器的制备示意图

  在该策略的帮助下，该水凝胶传感器可实现4000%的超高拉伸性。并且由于黑色的导电聚合物仅在水凝胶表面少量分布，因此，该传感器在600 nm波长下的透明度可超过90%。而在梯度导电网络结构的帮助下，其灵敏度可提高到3.0，在0%至4000%应变的超宽范围内同时实现了出色的线性传感性能，其R²值为0.994。作为上述性能的结果，该水凝胶传感器能够顺利监测人体大尺度和小尺度的运动和活动。这种表面限域梯度导电网络结构可以为新型柔性应变传感器的开发开辟一条新的途径，该传感器具有良好的机械、透明和传感性能，可用于全方位监测人类活动。

图2（A）水凝胶覆盖的书法照片; (B）在吡咯溶液中浸泡不同时间的水凝胶的紫外透过率(C）浸泡时间分别为5、10和60 s的水凝胶样品的横截面照片。黄色区域显示浸泡时间为10和60 s的水凝胶样品的放大部分(D）在水凝胶表面制备的太极图案的照片和（E）显示太极的不同位置可实现电阻变化并调节LED灯的亮度。光强度从照度的1.4 Lux改变为50.8 Lux(Lux：照度的国际单位制单位）。

图3（A）含有不同mPEG含量的Chs/AAm水凝胶的拉伸曲线；(B）CHSS-63%和不同mPEG含量的Chs/AAm水凝胶的杨氏模量；(C）加入PPy前后Chs/AAm-63%和CHSS-63%的拉伸曲线；(D）打结和扭曲CHSS-63%样品的照片；(E）CHSS-63%样品抗切割、压制和极端拉伸损坏的照片；(F）CHSS-63%的无限压缩剖面图，插图显示了极限压缩程度前后的CHSS，压缩印记用红色虚线突出显示；(G）CHSS-63%胶片被110 G钢球撞击而未破裂的照片。

图4 该水凝胶传感器对各种人类身体活动传感监测性能：（A）降低和（B）扬起眉毛，（C）微笑，（D）大笑，（E）扬眉，（F）大笑，（G）说话、咳嗽和吞咽。

  论文第一作者为广州大学化学化工学院徐秀彬讲师、广州大学研究生陈睿和李云龙，论文通讯作者为广州大学化学化工学院徐秀彬讲师和吴旭副教授。

  论文相关链接：

  Xiubin Xu*,#, Rui Chen#, Yunlong Li#, Danfeng Yu, Junmin Chen, Ian Wyman, Chuanghong Xiao, Siyu Peng, Yanting Chen, Xiaofeng Hu, and Xu Wu*. A Surface-Confined Gradient Conductive Network Strategy for Transparent Strain Sensors toward Full-Range Monitoring。

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c14875

  作者简介

  吴旭，工学博士，大连理工大学精细化工国家重点实验室和加拿大Queens University访问学者，广州大学化学化工学院副院长、广州大学分析测试中心副主任、副教授，广东省节能环保精细化学品工程技术研究中心主任、广东省联合培养研究生示范基地负责人、广东省化工学会理事。入选广东省青年珠江学者，广州市羊城学者、珠江科技新星和高层次人才。迄今在AIChE J、Chem Eng Sci、Chem Eng J等期刊已发表SCI论文48篇，第一发明人获中国授权发明专利12件、日本授权发明专利1件；已主持国家自然科学基金（面上、青年）、广东省科技计划和企业合作等科研项目12项。团队有较多研究生名额，欢迎各位学生报考。E-mail: xuwu@gzhu.edu.cn