西南交大周绍兵教授、向韬副教授团队《Mater. Horiz.》：环境耐受多功能低共熔凝胶用于高灵敏度可穿戴传感器

2025-01-19 来源：高分子科技

近年来，基于水凝胶柔性传感器已经被广泛应用于电子皮肤、运动健康检测、人机交互界面。然而，水凝胶的分散介质是水，当温度低于零摄氏度时不可避免会发生冻结而失去柔韧性、导电性等基本特性，这极大限制了柔性传感器在低温环境下的应用。低共熔溶剂（DES）具有低熔点、低挥发性等优点，因此，基于DES制备的低共熔凝胶（Eutectogel）具有良好的抗冻性能，有望成为水凝胶的替代者，应用于柔性传感器。但是以纯DES为分散介质制备的Eutectogel基传感器仍存在灵敏度低、机械性能差等挑战。

针对上述挑战，西南交通大学周绍兵教授、向韬副教授团队利用丙烯酸AA、甲基丙烯酸月桂酸酯LMA为反应单体在DES/H₂O二元溶剂中制备了一种高透明、抗冻、自粘附、自愈合和抗溶胀的多功能eutectogel。基于此eutectogel组装了电阻式应变传感器，通过调节二元溶剂的组分在保证抗冻性(-60 ^oC)的同时有效改善了eutectogel基传感器的灵敏度，当H₂O和DES质量比为1:2时GF最高达到15.4。基于eutectogel的应变传感器被应用于运动监测和加密信息传输，优异的抗冻性和灵敏度使得应变传感器即使在-30 ^oC的低温环境下也能稳定工作。总之，这项工作为设计用于低温环境下的柔性传感器提供了一种简单有效的策略。这项研究成果以“Environmentally tolerant multifunctional eutectogel for highly sensitive wearable sensors”为题发表在《Materials Horizons》杂志上。文章第一作者为西南交通大学韦正恩和贾良好，通讯作者为向韬副教授。该课题得到了国家自然科学基金、四川省科技计划和中央高校基本科研业务费等的资助和支持。

图1. PAL低共熔凝胶的制备、化学结构和性能。（a）低共熔凝胶的制备、相互作用和特性示意图。（b）低共熔凝胶的透明度。（c）低共熔凝胶在运动监测和信息传输中的应用。（d）DES和水分子之间的氢键相互作用。

图2. PAL低共熔凝胶的力学性能。（a）PAL低共熔凝胶拉伸试验照片。（b）PAL低共熔凝胶的拉伸应力-应变曲线。（c）PAL低共熔凝胶的杨氏模量和拉伸强度。（d）PAL66与其他报道的低共熔凝胶的拉伸强度和伸长率的比较。（e）PAL66低共熔凝胶在50%至500%不同应变下的连续加卸载拉伸试验。（f）计算出的PAL66低共熔凝胶的总能量、耗散能量和耗散率。（g）PAL66低共熔凝胶在200%应变20次循环加卸载拉伸试验中的表现。（h）相应的每个循环的最大拉伸应力和耗散能量。

图3. PAL低共熔凝胶的抗冻性能。（a）25℃和60℃下PAL0和PAL66低共熔凝胶的数码照片。（b）不同温度下PAL0和PAL66的拉伸应力-应变曲线。（c）PAL0和PAL66低共熔凝胶的DSC曲线。（d）氢键供体-受体距离的概率密度函数。（e）氢键供体-受体角的概率密度函数。（f）氢键类型和数量与模拟时间的关系。（g）H2O–H2O和H₂O–DES的结合能。（h）H₂O–H₂O和H₂O–DES的IGMH三维图。

图4. PAL66低共熔凝胶的粘附和自修复性能。（a）PAL66低共熔凝胶粘附在不同基材上的数码照片。（b）PAL66低共熔凝胶与不同基材之间的粘附机理。（c）搭接剪切试验示意图。（d）PAL66与不同基材之间的粘附力曲线。（e）PAL66与不同基材之间的粘附强度。（f）原始和修复后的PAL66低共熔凝胶在不同修复方式和温度下的应力-应变曲线。（g）PAL66低共熔凝胶在不同修复方式和温度下的自修复效率。（h）PAL66低共熔凝胶自修复的数码照片和划痕实验的光学显微镜图像。

图5. 基于PAL66低共熔凝胶的应变传感器的性能。（a）PAL66低共熔凝胶应变传感器的相对电阻与应变曲线。（b）将PAL66低共熔凝胶应变传感器与先前报道的低共熔凝胶应变传感器在两个关键性能参数上进行比较：GF（最好更高）和防冻温度（最好更低）。（c）在不同拉伸速率下拉伸至50％的PAL66低共熔凝胶应变传感器的相对电阻变化。（d）和（e）在小应变（10-30％）和大应变（100-300％）的渐进循环载荷过程中PAL低共熔凝胶应变传感器的相对电阻变化。（f）PAL66低共熔凝胶应变传感器在50％拉伸应变的循环加载-卸载下进行8000次循环的相对电阻变化。

图6. PAL66低共熔凝胶应变传感器的应用。（a）应变传感器监测机器人运动的示意图。（b）和（c）应变传感器监测机器人抓取不同尺寸物体的弯曲程度。（d）和（e）应变传感器监测机器人行走时膝盖弯曲的程度。（f）应变传感器输出信号对应于摩尔斯电码。（g）25 ℃时应变传感器输出信号“YES”。（h）25 ℃时应变传感器输出信号“NO”。（i）25 ℃时应变传感器输出信号“DES”。（j）-30 ℃时应变传感器输出信号“YES”。（k）-30 ℃时应变传感器输出信号“NO”。（l）-30 ℃时应变传感器输出信号“DES”。

该工作是团队近期关于多功能凝胶材料在柔性传感器和组织工程领域的最新进展之一。在过去的几年中，该团队着眼于材料的物理化学结构设计、表面改性及功能化设计，探索研究了智能凝胶材料在糖尿病皮肤修复（Bioact. Mater. 2023, 20, 561; Adv. Healthc. Mater. 2024, 13, 2301885；Adv. Healthc. Mater. 2024, 13, 2304536）、抗冻多功能水凝胶传感器（Chem. Eng. J. 2024, 501, 157822；Chem. Eng. J. 2024, 495, 153734）、盐响应柔性传感器（J. Mater. Chem. A 2021, 9, 1048）等领域的应用。

原文链接：https://doi.org/10.1039/D4MH01665C

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（责任编辑：xu）

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