王双飞院士/聂双喜教授 Adv. Funct. Mater.：Hofmeister效应构筑摩擦电气凝胶

2023-09-04 来源：高分子科技

气凝胶是传感设备轻便化发展的理想原材料，也是摩擦电材料中常见的候选者。由于其独特的超轻重量、多孔网络、高表面积和可调孔径分布，已被广泛应用于可穿戴电子产品。气凝胶的力学性能不足，实际应用中多孔结构易收缩和塌陷，极大影响了传感器的响应稳定性和准确性，限制了应用场景的拓展。

近日，王双飞院士团队基于Hofmeister效应构筑了多尺度结构的纳米纤维素摩擦电气凝胶。气凝胶展现出超高刚度，杨氏模量高达142.9 MPa，比模量高达340.6 kN m kg^-1，支撑自身重量的6600倍后依旧不变形。超高刚度的摩擦电气凝胶被用于构建高鲁棒性的可穿戴自供电传感器，即使在343 kPa压强的冲击后仍能工作。这项成果以题为“Multiscale Structural Nanocellulosic Triboelectric Aerogels Induced by Hofmeister Effect”发表在了《Advanced Functional Materials》上。

1. 摩擦电气凝胶的设计

Hofmeister序列中有些离子（chaotropes）会破坏聚集状态，导致盐溶。有的离子（kosmotropes）可以增加聚集状态，即可以降低溶解度，该过程被称为盐析。盐溶时，阴离子直接与聚合物结合，聚合物分子链新增了额外的电荷，增加了聚合物的溶解度。盐析时，由于水分子从聚合物链之间不断排出，羟基之间形成新的氢键，导致聚合物链聚集和结晶区域不断增大，即摩擦电气凝胶力学性能得到提升。

图1. Hofmeister效应在摩擦电气凝胶制备中的应用。

2. 摩擦电气凝胶的制备

图2展示了摩擦电气凝胶具体制造过程。混合液冷冻的过程中聚合物被移动的水-冰晶推出，从而被限制生长在冰晶的间隙区域，聚合物在微米尺度下得到浓缩和紧密堆积。这有助于随后的盐析引起的聚合物链的聚集和结晶。在冷冻干燥过程中，经过盐析处理后的聚合物链作为支架起着关键作用，在冰晶升华时通过强氢键支撑微观结构，最终得到力学性能提升的多孔结构。此外，摩擦电气凝胶能获得优异的刚度关键是盐析作用带来的结晶度的增加和聚集态的改变。

图2. 气凝胶的制备工艺和结构。

3. 摩擦电气凝胶的力学性能

盐析过程（具备盐析能力的离子种类、盐析处理时间、盐溶液浓度）对摩擦电气凝胶机械性能的影响被进一步探究。各种阴离子处理后的气凝胶的力学性能遵循顺序：柠檬酸钠＞碳酸钠＞Na₂SO₄＞醋酸钠。由碳酸钠，Na₂SO₄和醋酸钠溶液处理后的气凝胶的多孔结构呈现较多的塌陷。在氯化钠等其余的盐溶处理过程中，聚合物呈完全溶解状态，因此无法进行力学性能测试。柠檬酸钠溶液浓度从0.5 M增加到1.5 M，气凝胶的模量和比模量数值随着柠檬酸钠浓度的增加而增加。值得注意的是，柠檬酸钠浓度在2 M以及饱和状态时，气凝胶的力学性能呈现下降趋势。

图3. Hofmeister效应对气凝胶机械性能的影响。

4. 摩擦电气凝胶基自供电传感器的组成和应用

图4和 5展示了摩擦电气凝胶基可穿戴自供电传感器的组成和应用。经过6000 s的循环测试后，摩擦电气凝胶的多孔结构几乎不受影响。传感器表现出快速响应和恢复速度，响应与回复时间分别仅为33 ms和26 ms，且在工作压强高达343 kPa时依旧可以工作。通过传感器可对不同人体步态进行监测，如根据开路电压信号峰型和数值特点，可以明显区分走路、跑步、跳跃和跌倒等状态。此外，也通过开路电压的峰值大小和峰的频率来监测人体肘部弯曲的角度和频率。

图4. 传感器的结构设计和工作原理。

图5. 传感器应用于运动状态的监测。

在这项工作中，通过Hofmeister效应制备了一种具有优异刚度的摩擦电气凝胶，并基于此材料开发了一种用于人体运动状态监测的自供电传感器。通过对Hofmeister效应的合理使用，使聚合物的结晶度和聚集态增加，实现了高刚度，即杨氏模量142.9 MPa，比模量340.6 kN m kg^–1，支撑自身重量的6600倍后依旧不变形。通过对Hofmeister序列中不同阴离子（钠盐）、盐析时间和盐溶液浓度对气凝胶力学性能提升情况的评估，将有效指导Hofmeister效应的合理使用。通过组装自供电传感器，传感器表现出高压强的响应能力，33 ms的快速响应时间，实现了人体运动状态的精准反馈。本研究为气凝胶的设计策略与应用提供了参考，也有望促进可穿戴产品在智慧医疗领域中的进一步应用。

原文链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202306810

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（责任编辑：xu）

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