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阿尔伯塔大学曾宏波教授课题组 CEJ:具有超高拉伸性、透明性和智能传感功能的水凝胶离子皮肤

阿尔伯塔大学曾宏波教授课题组 CEJ:具有超高拉伸性、透明性和智能传感功能的水凝胶离子皮肤 高分子科技
2022-08-01
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导读:具有超高拉伸性、韧性、弹性、透明性、自修复功能和智能传感功能的水凝胶离子皮肤…
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离子导电水凝胶由于其与人体组织相似的结构和物理特性,是制备仿皮肤柔性离电子器件的理想材料,在可穿戴传感设备、柔性机器和机器人以及生物电子器件等领域有广泛应用前景。然而,传统水凝胶力学强度、可拉伸性以及回弹性都较差,制备具有良好机械性能同时兼备优异电学性能的水凝胶一直以来都是研究的重点,同时,制备兼具有智能传感功能的水凝胶离电子器件也是新的挑战。

近期加拿大阿尔伯塔大学Hongbo Zeng(曾宏波)教授课题组报道了一种具有超高拉伸性、韧性、弹性、透明性、自修复功能和智能传感功能的水凝胶离子皮肤。该水凝胶 (缩写为PAMAC-L)的制备是在分散有极少量羧基化多壁碳纳米管 MWCNT)和溶有氯化锂 LiCl)的水溶液中,原位引发丙烯酰胺、氨基功能化单体(AEAM)以及季铵功能化单体(MTAC)共聚而实现的。其中,通过与两种阳离子功能化单体的共聚,作者在聚丙烯酰胺网络中实现了与MWCNT (通过双重静电相互作用)的紧密/可逆界面相互作用,构筑了良好的交联网络,如图1所示,从而通过极少量纳米填充材料实现了巨大机械性能的提升 (韧性提升46倍,最高强度、拉伸性和韧性分别达1.09 MPa4075%12.8 MJ/m3),该水凝胶同时具有优异的回弹性,如图2所示。
 


1 . PAMAC-L水凝胶设计思路及其透明性。


 
2. PAMAC-L水凝胶的力学性能。

通过AFM测力,作者们定量表征了该水凝胶内部网络的两种离子作用力,发现质子化氨基与羧基阴离子的作用力大于季铵阳离子和羧基阴离子的相互作用,如图3所示,并提出该两种相互作用的协同效应是该水凝胶表现出优异力学性能的关键。
 


3. AFM测力表征两种离子相互作用。

该水凝胶具有优异的电学和传感性能,可以敏感感知应变和压力的变化,得到稳定且可重复的电学信号。由于其在检测人体精细运动方面具有优异的表现,作者将其与机器学习模块结合,用于检测人体书写过程,成功实现了从信号采集、信号加工到信号输出的过程,即通过检测书写过程中的指关节运动,得到书写字母的电学信号并利用机器学习训练模型,将该模型用于识别书写单词和短语,赋予了该水凝胶智能传感功能,如图4所示。
 


4将水凝胶用于识别书写过程。

这一成果近期以Ultra stretchable, tough, elastic and transparent hydrogel skins integrated with intelligent sensing functions enabled by machine learning algorithms” 为题发表在 Chemical Engineering Journal上,文章的第一作者是阿尔伯塔大学化工与材料系武盟博士,潘鸣飞博士为本论文的共同第一作者,通讯作者为曾宏波教授。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138212


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