导电水凝胶具有与生物组织相似的特性，它将导电材料和基底材料集成为一体从而实现传感功能，已成为柔性电子领域一种理想的候选材料。然而，要将优异的机械性能和强大的导电性能及灵敏的传感功能结合起来仍极具挑战。MXene 纳米片表面具有丰富的亲水基团，可以均匀地分散在水凝胶中与聚合物链交联，从而增强水凝胶的导电性和机械性能。科学家们虽然构筑了一些高拉伸高灵敏的 MXene 基水凝胶，但其强度较低且与人体组织的弹性模量不匹配，这限制了其在柔性电子皮肤和其它界面传感领域的实际应用。因此，如何构筑机械强度高且弹性模量适合人体组织的高导电性 MXene 基水凝胶传感器对推动导电水凝胶在柔性电子皮肤和界面交互等高科技领域的实际应用具有现实意义。
近日，西安建筑科技大学杨琴副教授课题组与西北有色金属研究院张鹏省教授合作在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了金属离子增强的MXene 基高灵敏耐久性双网络（DN）水凝胶柔性传感器的研究。该研究提出了以金属离子配位增强MXene 基双网络水凝胶机械性能的通用策略，该策略在牺牲较少拉伸性能的同时显著增强了MXene 基水凝胶的断裂强度，使其弹性模量与人体组织匹配。同时研究了不同金属离子(Ca2+、Cu2+、Fe3+)对水凝胶机械强度和导电性能影响的差异，以及金属离子含量对水凝胶强度的影响。
图1. 金属离子增强的MXene 基双网络水凝胶的构筑及在柔性传感中的应用（左图为识别人体关节运动，右图为智能书写传感界面）
如图2所示，该研究揭示了金属离子对MXene 基水凝胶机械性能的影响规律。利用金属离子(Ca2+、Cu2+、Fe3+)与SA链上的-COOH之间形成不同的配位键，通过有效的能量耗散来增强水凝胶的机械强度，并且水凝胶的拉伸性能没有明显的牺牲。结果表明，该水凝胶传感器具有优良的机械强度(0.647 MPa)、良好的电导率(8.65 S·m−1)、适用于人体组织的杨氏模量(27.78-86.3 kPa)、可靠的灵敏度和持久的应变响应。通过这种策略制备的水凝胶实现了监测人体运动和智能书写。
图2.金属离子增强 MXene 基双网络水凝胶的力学性能
研究团队提出了利用金属离子配位增强 MXene 基双网络水凝胶的通用策略，解决了 MXene 基水凝胶机械强度和导电性之间的平衡问题。该水凝胶传感器用作生理信号监测和智能书写传感界面时，均能够精准识别应力变化信号，为用于柔性电子皮肤和界面交互等领域的传感材料提供了新的选择。
相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，西安建筑科技大学杨琴副教授为第一作者及通讯作者，硕士研究生李明梓为文章的第二作者，西北有色金属研究院张鹏省教授为共同通讯作者。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsami.3c12048
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