新型水凝膠材料可用于柔性傳感器

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安徽理工大學材料科學與工程學院教師張曉勇團隊在功能水凝膠的設計合成與性能調控領域取得新進展，提出了構建“網格支架”策略，制備了一種網格密度原位可調的聚合物網絡結構，并證明這種材料可以有效限制聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)水凝膠相變過程中的體積變化。相關研究成果近日發表于《材料視野》。

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水凝膠“網狀支架”結構示意圖。安徽理工大學供圖

近年來，基于聚N-異丙基丙烯酰胺柔性電子器件的連續溫度監測取得了快速發展，克服了傳統剛性材料的缺點。然而，它的相變引起的體積變化和粘附性差仍然是限制其應用的主要原因。“用最簡單的方法構建一層‘網狀支架’，通過原位調節‘網狀支架’的網格大小，限制水凝膠分子鏈的自由運動程度，對于解決PNIPAM水凝膠相變引起的體積變化具有重要指導意義。”張曉勇向《中國科學報》介紹。

此次研究中，張曉勇等提出了一種壓敏膠-“網狀支架”基水凝膠(PSAs-MPT)策略，抑制PNIPAM水凝膠相變引起的體積變化，進一步實現原位可調的機械性能和優異的粘合性能。“網狀支架”的可逆網格密度可以調節水凝膠分子鏈的聚集狀態，從而將楊氏模量從6.7千帕調整為45.3千帕。由于具有恒定的體積溫度響應性，PSAs-MPT水凝膠在不同的溫度場景下都能表現出穩定的溫度監測。此外，PSAs-MPT水凝膠可以作為可穿戴的生物運動傳感器，以高靈敏度監測身體運動。它還可以組裝成一個電子設備，通過莫斯電碼傳輸信息和識別手語。

張曉勇說：“這項工作加深了對聚合物分子鏈聚集狀態與水凝膠基柔性器件多場景應用的理解，而且有望通過手語識別系統來管理需要緊急醫療護理患者的健康和健身。”

審稿人認為：作者提出并實施了“網格支架”策略，成功合成了一種具有機械性能和網格密度可調的水凝膠材料，實現了原位可調的機械性能和卓越的粘合性能。此工作不僅在材料設計和合成方面有所突破，而通過對PNIPAM水凝膠相變過程的研究，證明了這種材料在限制相變過程中的體積變化方面的優越性。這一創新性的構建方法為功能水凝膠的性能調控提供了新的思路和可能性。