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长春工大吕雪团队 Macromolecules:高韧性石墨烯基水凝胶在柔性传感器中的应用

长春工大吕雪团队 Macromolecules:高韧性石墨烯基水凝胶在柔性传感器中的应用 高分子科技
2023-08-25
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导读:采用自由基聚合法制备了PAM@SiO₂-NH₂/(ILs-GN)复合强韧水凝胶,来探索其作为人工皮肤传感器在未来应用的可行性...
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在微电子技术迅速发展的时代,多功能可穿戴设备引起了广泛的关注。水凝胶作为一种三维软材料,具有类似于生物组织的兼容性和可供调节的理化性质,在细胞载体、人工电子皮肤和可穿戴设备等方面具有广阔的应用前景。然而,传统化学交联而成的水凝胶通常质地较脆,无法经受较大的形变,且功能单一,无法满足水凝胶应用的条件。因此,开发出一种多功能性的强韧导电水凝胶具有十分重大的意义。

图1. PAM@SiO2-NH2/(ILs-GN)水凝胶的合成示意图


为了应对这一挑战,长春工业大学吕雪副教授团队的谢婷同学在《Macromolecules》期刊发表名为“Simple Fabrication of Silica Amino Sphere-Reinforced Ionic Liquids/Graphene Conductive Hydrogel Sensors with Super Toughness, Self-Healing, and Strain Sensitivity Properties”的论文,研究提出了一种简单有效的制备方法,采用自由基聚合法制备了PAM@SiO2-NH2/(ILs-GN)复合强韧水凝胶,来探索其作为人工皮肤传感器在未来应用的可行性。设计融合了丙烯酰胺(AM)、甲基丙烯酸月桂酯(LMA)、石墨烯(GN)、二氧化硅氨基球(SiO2-NH2)和氯化十六烷基-3-甲基咪唑(ILs)。值得注意的是,LMA、SiO2-NH2球和AM通过疏水结合和氢键在能量耗散中发挥了关键作用,成为动态物理交联位点,构建超强超韧的水凝胶网络结构。
 

2. PAM@SiO2-NH2/(ILs-GN)水凝胶的机械性能图
 

图3. a)PAM@SiO2-NH2/(ILs-GN水凝胶具有重塑能力,(b) PAM@SiO2-NH2/(ILs-GN) 水凝胶具有良好的自愈合性能,(c) 水凝胶愈合后的应力-应变曲线,(d) 相应的愈合效率和应力

图4. 不同伸长率(0、50、100 和 200%)下灯管亮度变化的照片

 图5.PAM@SiO2-NH2/(ILs-GN)水凝胶组装成可穿戴的应变传感器用于实时监测人体的各种运动

研究发现PAM@SiO2-NH2/(ILs-GN)纳米复合水凝胶具有15318%的高拉伸应变和51.4 MJ/m3的超强韧性。此外,ILs还能促进石墨烯的有效分散,从而在水凝胶中产生卓越的导电性和稳定的电阻变化,导电性测量值为 12 mS/cm。该水凝胶还具有高灵敏度。当作为应变传感器使用时,水凝胶能够实时监测人体复杂的各种运动,捕捉大规模变形和微小的细微运动。这些研究结果表明,该水凝胶传感器在柔性电子皮肤应用方面具有巨大潜力,有望成为多功能传感器和柔性电极的候选材料,在电子皮肤和人工智能领域具有较强的可扩展性和潜在的应用前景。


吕雪,吉林大学博士,研究方向包括但不限于柔性可穿戴传感器件、功能膜材料等。欢迎报考硕士研究生。有意者请联系lvxueccut@163.com。


课题组主页:

http://www.polymer.cn/ss/lvxue/index.html


原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.3c00496


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