近年来，柔性电子因其在人人机交互、软体机器人、储能装置和可穿戴传感器等方面的广泛应用而成为研究热点。水凝胶因其可调节的柔软性、结构渗透性和对环境的最小破坏等内在特性，被认为是构建柔性电子的有前途的候选材料。然而水凝胶在水环境中不可避免地会溶胀，这主要是由亲水基团与水分子之间大量的氢键相互作用引起的。溶胀后的水凝胶机械性能较弱。更严重的是，其电导率和与基材的粘附性会严重受损，进而破坏其传感能力。此外，由于水分子的影响，设备可靠性和自愈能力也将在高湿度条件下丧失。因此，开发具有高延展性、良好导电性、抗溶胀性以及自愈能力的水凝胶传感器，对于发展柔性电子设备具有重要意义。
针对上述问题，西安工程大学孙元娜副教授与中山大学付俊教授团队采用Mxene与阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵 (DMAEA-Q)、阴离子单体对苯乙烯磺酸钠(NaSS)结合，提出了一种简单且通用的制备抗溶胀导电水凝胶(EPAM)的方法，得到的聚两性离子凝胶具有高延展性（1391%），良好的导电性和优异的自愈能力（断口接触1小时后愈合效率达到66%），以及快速的光响应行为。此外，该水凝胶基传感器表现出宽的应变感应范围，并且能够实现水下监测和通信。通过组装水下预警系统，可以高效地进行实时水下定位和城市内涝预警。相关工作以“Anti-swelling and Photo-responsive MXene-based Polyampholyte Hydrogel Sensors for Underwater Positioning and Urban Waterlogging Pre-warning”为题发表在Journal of Materials Chemistry A 上（10.1039/D4TA03778B）。西安工程大学孙元娜副教授、学生杜莹为本文共同第一作者，贺辛亥教授和中山大学付俊教授为共同通讯作者。
图1 （a）Mxene纳米片的合成，(b) EPAM水凝胶的制备
图2 EPAM水凝胶的机械、导电和抗溶胀性能，（a）EPAM水凝胶的展示，（b）EPAM水凝胶的应力-应变曲线以及（c）相应的模量和断裂应力，（d）EPAM水凝胶的导电性，（e）含有或不含MXene的水凝胶在水中浸泡8天后的照片，（f）水凝胶的溶胀比随时间的变化（g）不同Mxene含量的EPAM水凝胶的接触角。
图 3. EPAM 水凝胶的自愈性能（a）水凝胶的切割-愈合过程，（b）EPAM 水凝胶在不同愈合时间下的应力-应变曲线以及（c）愈合效率，（d）LED灯响应不同状态的数字图像：原始状态、切断状态、愈合状态以及拉伸状态，并附有相应电路的示意图，（e）EPAM 水凝胶的自愈机制。
图 5. EPAM 水凝胶基传感器在水下的实时传感性能和通信。
图6 EPAM 水凝胶基传感器的光响应行为（a）在100 mW/cm²功率密度的持续近红外（NIR）光照射下，EPAM0和EPAM0.5水凝胶的实时红外图像。（b）在持续照射下的温度变化。（c）EPAM0.5水凝胶在NIR光（100 mW/cm²）下经过5次开/关循环的循环稳定性。（d）光热转换机制。（e）EPAM水凝胶附着在指关节上的照片及NIR照射前后的热成像图。（f）在不同NIR光功率密度下水下的电阻响应。
该研究得到国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、陕西省重点研发计划等课题和项目的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1039/D4TA03778B
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