林科院储富祥、王基夫/南林大勇强 AFM：无液体、高回弹、抗冻纤维素共晶凝胶构筑新策略

2023-12-18 来源：高分子科技

电子皮肤（E-skin）具有类皮肤的物理-化学特性和感知特性，可感知多种外部环境的刺激（例如压力、应变、湿度和温度等），已被广泛应用于软机器人、人机界面、可穿戴电子和人工智能技术领域。共晶凝胶因优异的生物相容性、绿色无毒和高导电性等特性，被认为是设计开发电子皮肤的理想材料之一。然而，常见的共晶凝胶存在临时链缠结、分子链间摩擦以及拉伸过程中链缠结的解缠等问题导致明显的弹性滞后，其弹性性能难以与人类皮肤相匹配，进而导致在实时传感应用中存在与人类组织机械失配和实时传感信号滞后等不足。因此，制备高回弹、低滞后共晶凝胶对开发超弹电子皮肤具有极其重要的意义。

近日，中国林科院储富祥研究员、王基夫研究员与南京林业大学勇强教授通过构筑纤维素锚定永久链缠结结构与致密动态牺牲键实现了无液体、高回弹、抗冻纤维素共晶凝胶的制备。该纤维素共晶凝胶中，纤维素通过多重氢键锚定聚合物链缠结，同时结合致密动态牺牲键的断裂和快速重建以及ZnCl₂/EG金属低共熔溶剂体系中乙二醇的润滑作用，有效降低了共晶凝胶在拉伸过程中的链缠结的解缠以及分子链间摩擦，实现超高回弹性能，其回弹系数高达98.1%。此外，金属盐低共熔溶剂体系赋予纤维素共晶凝胶优异的导电性能和抗冻性能，该共晶凝胶在-20℃下依旧保持较好的弹性性能。基于此，纤维素共晶凝胶作为电极材料被用于组装摩擦纳米发电机，并在超弹自供能电子皮肤、人体运动监测以及人机交互等领域展现出高的应用价值。

图1：高回弹、低滞后纤维素共晶凝胶结构与自供能E-skin示意图。

图2：（a）纤维素共晶凝胶的红外光谱图。（b-c）纤维素共晶凝胶的XPS谱图。（d）纤维素共晶凝胶的SEM图像和EDS图谱。（e）纤维素共晶凝胶的电导率。（f）纤维素共晶凝胶出色的光学透明度。（g）纤维素共晶凝胶的流变性能。（h-i）纤维素共晶凝胶的机械性能。

图3：（a-e）纤维素共晶凝胶的弹性性能。（f，h）纤维素共晶凝胶的环境适应性及低温弹性性能。（g）纤维素共晶凝胶的高回弹机制。

图4：（a）基于共晶凝胶摩擦纳米电机（E-TENG）结构示意图。（b）E-TENG的工作原理。（c-j）E-TENG的电输出性能。

图5：自供能E-skin在监测人体运动领域的应用。

图6：（a-g）自供能E-skin在人机交互领域应用。自供能E-skin在（h）监测书写及（i）阵列传感器领域应用。（j）纤维素共晶凝胶3D打印特性。

该工作以“Skin-like transparent, high resilience, low hysteresis, fatigue-resistant cellulose-based eutectogel for self-powered E-skin and human-machine interaction”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。南京林业大学卢传巍副教授为文章的第一作者，通讯作者为中国林科院储富祥研究员、王基夫研究员和南京林业大学勇强教授。该工作得到国家自然科学基金重大项目（31890774），国家自然科学基金（32201498，31971600）的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202311502

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（责任编辑：xu）

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