陕科大白阳团队《Small》：可用于水下传感的耐久型聚轮烷水凝胶传感器

2024-10-11 来源：高分子科技

随着人们增加对游泳潜水等水下活动的关注，水下信号传输和体感技术的发展需求也日益增高。柔性可穿戴传感器可以捕捉和记录实时运动，对保证水下安全起着至关重要的作用。与传统的基于复合材料的可穿戴传感器设备相比，导电水凝胶具有优异的物理和化学性能，如韧性、透明度、粘附性和良好的导电性，这些使其成为最有前途的水下可穿戴传感器的候选材料之一。目前，尽管基于导电水凝胶的可穿戴传感器在常规环境下已经取得了一些重大进展，但由于其在水生环境中的不稳定性，实现其在水下的应用仍然是至关重要且极具挑战性的。为了实现导电水凝胶在水生环境中的使用，需要考虑保水性、抗膨胀性、韧性、黏附性、线性灵敏度传感、长期使用等综合性能，但这在以往的报道中却很少见。

陕西科技大学白阳副教授团队提出了用阳离子单体和芳香单体以及聚轮烷基交联剂制备导电水凝胶的方法。由于分子间阳离子-π相互作用和基于滑动环的聚轮烷拓扑结构，导电水凝胶具有良好的力学性能、粘接性能和抗膨胀性能。基于滑环的拓扑结构有效地缓解了应力集中。此外，植酸的封装使导电水凝胶即使在室温下直接放置240天后仍能保持其功能。值得注意的是，他们设计的导电水凝胶在探测陆地/水下人体运动方面都具有稳定的线性灵敏度，并可以作为莫尔斯电码信号发射器进行信息传输。因此，此类导电水凝胶（AR-PR）在水下可穿戴传感器领域具有一定的应用潜力。相关成果Cation‐π Interactions Based Conductive Hydrogels with Slide‐Ring Structure Toward Super Long‐Time in‐air/Underwater Linear Sensing and Communication于近期发表在《Small》。

图1 聚轮烷导电水凝胶的设计制备及其性能研究

AP-PR导电水凝胶传感器因其高导电性、柔韧性和自粘性能，展现出作为可穿戴应变传感器的潜力。基于滑环的网络设计可有效减少应力集中，确保在0-300%应变范围内保持线性和稳定的灵敏度（GF为2.72且具有线性效应）。水凝胶传感器在小应变和大应变循环中均表现出优异的可逆性和响应灵敏度，能够准确监测膝关节、肘关节和手腕等多个部位的运动，还能捕捉微小的肌肉动作，如吞咽和表情变化等。阳离子-π和疏水相互作用的协同作用有助于实现 AP-PR的抗溶胀性能，也使该水凝胶可以快速粘附在空气中的各种基材上。此外，即使在水下条件下，粘接体系也很稳定。得益于AP-PR的抗膨胀和粘接特性，其在水下能够保持稳定的导电性和抗干扰能力，可以在水下环境中监测人体运动和捕获电子信号。水下环境中，AP-PR在0-300%应变范围内的线性灵敏度为0.78，能够稳定捕捉水下手指和关节运动的电子信号，表现出优秀的抗干扰能力。其稳定性使得AP-PR能够在复杂水下环境中检测通过莫尔斯电码传输的遇险信号（SOS及UP）。

图2 聚轮烷水凝胶的水下传感和通讯应用

值得注意的是，由于植酸与水分子的相互作用，AP-PR水凝胶传感器可以限制水分子的蒸发，表现出优异的保水能力。因此，AP-PR作为可穿戴传感器，无论在空气中还是在水下，都具有长期使用的能力。在室温条件下直接放置240天后，AP-PR的重量仍保持稳定，显示出优异的耐温和保水能力。240天后，AP-PR水凝胶传感器仍保持稳定的线性GF为 2.001，仍然可以用于空气和水下中的传感。在空气接收到大小应变和人体运动时，水凝胶传感器也表现出良好的电信号可逆性和快速响应性；且AP-PR在水下保持线性稳定的GF为0.332。此外，在水下静态状态下检测手指运动以及模拟水下干扰条件下传输莫尔斯电码信号均表现出良好的重复性和稳定性。AP-PR证明了水凝胶超长时间的保水性能以及在水下传感应用的潜力。与以往报道的基于导电水凝胶的同类传感器相比，AP-PR在综合力学性能、抗膨胀和保水性、稳定的空气和水下线性传感性能、超长使用时间等方面均表现出优异的综合性能。

图3 240天后聚轮烷水凝胶的空气/水下传感性能研究

陕西科技大学为本论文的唯一发表单位，论文通讯作者为陕西科技大学化学与化工学院白阳副教授，主要工作由课题组硕士生师雨欣等人完成。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202406902

下载：Cation‐π Interactions Based Conductive Hydrogels with Slide‐Ring Structure Toward Super Long‐Time in‐air/Underwater Linear Sensing and Communication

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（责任编辑：xu）

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