西南交大周绍兵教授、向韬副教授团队《ACS AMI》: 抗疲劳+仿生微结构水凝胶用于应变/压力传感器

2022-06-14 来源：高分子科技

导电水凝胶广泛应用于可穿戴传感设备、电子皮肤、软机体器人、人机交互等领域，如何保证水凝胶承受成千上万次的循环载荷而不发生疲劳断裂失效是目前研究的热点。此外，水凝胶压力传感器的发展受限于其较低的灵敏度，如何提高水凝胶压力传感器的灵敏度，是目前亟待解决的问题。这两方面的问题给水凝胶传感器的发展带来极大的挑战。

图1 人体肌肉组织和皮肤感觉接受器结构示意图

近日，西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室周绍兵教授、向韬副教授团队受人体肌肉组织中有序晶区以及皮肤组织内感觉接受器微观结构（图1a，b）的启发，设计了一种纤维素纳米纤维/碳纳米管（CNF@CNT）复合物增强水凝胶抗疲劳断裂性能，结合表面仿生微结构提升水凝胶压力传感灵敏度的策略。CNF@CNT复合物改性水凝胶PNDU-CNF@CNT_1%的能量释放率G值相较于未改性PNDU水凝胶提升了1.7倍，疲劳阈值达到187 J/m²（图2）。拉伸流变以及小角X射线散射测试证明CNF@CNT确实在水凝胶的拉伸过程中发生了取向。通过砂纸模板法在水凝胶表面制备了具有高度随机分布的仿生微结构，压力传感器的灵敏度达到了1.11 kPa^-1，相较于没有仿生微结构的水凝胶提升了近18倍，也远高于目前报道的水凝胶压力传感器。该传感器能够检测重物、按压等。同时，在2000次压力循环测试中也表现出较好的电信号响应稳定性（图3）。该工作以“Biomimetic Microstructured Antifatigue Fracture Hydrogel Sensor for Human Motion Detection with Enhanced Sensing Sensitivity”为题发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。文章的第一作者是西南交通大学材料科学与工程学院硕士研究生贾良好。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图2 水凝胶的力学性能和抗疲劳断裂性能表征

图3 仿生微结构水凝胶在压力传感器方面的应用

该工作是团队近期关于功能性水凝胶材料在柔性电子传感器方面的最新进展之一。在过去的几年中，该团队着眼于材料的物理化学设计、表面工程化改性，探索研究了智能水凝胶、形状记忆薄膜等智能材料在盐响应柔性传感器（J. Mater. Chem. A 2021, 9 (2), 1048-1061）、可逆黏附剂（ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13 (30), 36574-36586）、柔性致动器（ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13 (1), 1463-1473）、可视化血管支架（J. Mater. Chem. B 2020, 8 (35), 8061-8070）等领域的应用，总结了基于形状记忆效应的仿生微纳米结构的制备及其在生物医学领域的应用（Nano Today 2020, 35, 100980）。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c04614

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