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陕科大王学川教授团队官小玉等人在柔性金属凝胶传感器领域取得一系列重要进展

高分子科技

2024-12-23

导读：制革矿物鞣“先渗透-后结合”机制调控金属配位水凝胶结构以大幅提升强韧性...

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柔性电子传感器具有良好的柔韧性、延展性，且结构形式灵活多样，在电子皮肤、医疗保健、电工、运动器材、纺织品、航天航空、环境监测等领域受到广泛应用。在众多柔性传感材料中，以金属离子为导电介质、聚合物凝胶为柔性衬底的金属配位水凝胶得到广泛的关注。然而，大部分合成的金属配位水凝胶因内在结构非均匀性或有效耗能机制不足导致其力学强度较弱且韧性不足。为此，陕西科技大学王学川教授团队官小玉等人提出基于制革矿物鞣“先渗透-后结合”机制调控金属配位水凝胶结构以大幅提升强韧性的新理念和策略，相关产品可用于智能手套/鞋垫、电子地板、关节运动监测、扁平足矫正、实时降雨监测、触觉神经等柔性电子传感领域。相关研究成果发表在Advanced Functional Materials, 2024, 34(21): 2313633；Advanced Functional Materials, 2024: 2414016；Chemical Engineering Journal, 2024, 489: 151353；ACS Applied Materials & Interfaces, 2024, 16(4): 5168-5182；International Journal of Extreme Manufacturing, 2024（预接收）。以上工作的实验部分主要由研究生朱晏霞、郑赛、张炳原同学完成，陕西科技大学官小玉副教授为论文第一作者（通讯作者），通讯作者还包括陕西科技大学王学川教授、韩庆鑫副教授，四川大学陈意教授，东京大学安盟研究员，日本理化学研究所Ito教授、EI-Gowily研究员。

1、基于矿物鞣“充分渗透”原理：采用“蒙囿”策略构筑金属配位水凝胶及其在智能手套/鞋垫的柔性传感应用

通过引入配位能力适中的“蒙囿”配体，达到减缓金属离子与功能强配体之间的结合，保证金属配合物充分渗透后再与凝胶功能配体缓慢结合。该策略在一定程度上提升了金属配位水凝胶的强韧性，相关产品可用于柔性智能手套/鞋垫，在手语捕捉、虚拟现实（VR）技术、人工智能、人体运动监测等方面具有发展潜力。相关成果以“Masking Strategy Constructed Metal Coordination Hydrogels with Improved Mechanical Properties for Flexible Electronic Sensors”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》（IF 8.3）。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.3c18077

2、基于矿物鞣“充分渗透”原理：采用“百叶窗开合”效应构筑金属配位水凝胶及其在运动监测、扁平足矫正的柔性传感应用

受“百叶窗开合”效应启发，通过完全打开聚合物凝胶链层结构（类似完全打开的百叶窗），促使金属离子充分渗透，实现金属配位水凝胶强韧性的有效提升。该凝胶传感器能够有效监测关节运动、扁平足矫正，指导患者保持正确的步态、站姿和坐姿等。相关研究成果以“Shutters-Inspired Metal Ions Coordination Hydrogel Strain/Pressure Sensor for Joint Behavior Evaluation and Flatfeet Correction”为题发表在《Chemical Engineering Journal》（IF 13.3）。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151353

3、基于矿物鞣“高效结合”原理：采用“冷冻诱导”策略，构筑金属配位水凝胶及其在实时降雨监测上的传感应用

受南极鳕鱼抗冻蛋白（AFPs）抵御严寒的启发，通过低温诱导策略，促进更多的凝胶功能配体与金属离子牢固结合，以形成高配位数结构，从而提高金属配位水凝胶的强韧性。该凝胶传感器能够适应不同降雨强度、地域环境乃至极端气候条件的实时降雨监测需求，为防洪减灾提供可能。相关研究成果以“Patagonian Toothfish-Inspired Aluminum Coordination Hydrogel Sensors for Real-time Rainfall Monitoring”为题被期刊《International Journal of Extreme Manufacturing》（IF 16.1）预接收（预计2025年2月正式出版）。

4、基于矿物鞣“高效结合”原理：采用“蜘蛛结网”策略，构筑金属配位水凝胶压离子传感器

受蜘蛛网结构的启发，通过充分利用金属配体离子（[(OH)Cl₂]³⁻）的潜力，促进Keggin型结构生成，并激活了凝胶功能基团，形成稳定结合的金属配位水凝胶。该材料结合了优异的力学性能与压离子发电特性，可潜在用于无痛症患者触觉神经系统的替代品，有助于防止患者因感知不足而遭受伤害。该工作也为能量收集、人机交互及生物电子材料的设计提供新的思路。相关研究成果以“Spider Webs-Inspired Aluminum Coordination Hydrogel Piezoionic Sensors for Tactile Nerve Systems”为题发表在《Advanced Functional Materials》（IF 18.5）。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202414016

5、基于矿物鞣“充分渗透、高效结合”原理，构筑金属配位水凝胶柔性电子地板传感器

将制革矿物鞣“先浸酸、后提碱”策略实践于金属配位水凝胶的制备过程中，实现金属离子在凝胶体系中先充分渗透后高效结合，从而大幅提升凝胶的强韧性。该柔性凝胶传感器在人体运动监测和电子地板等领域展现出广阔的应用前景。相关研究成果以“Mineral Tanning-Inspired Metal Ions Coordination Hydrogels with Outstanding Mechanical Strength and Toughness for Flexible Force Sensors”为题发表在《Advanced Functional Materials》（IF 18.5）。