適用于多種應用場景柔性水凝膠傳感器問世

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安徽理工大學材料科學與工程學院青年教師張曉勇，針對常規水凝膠機械性能表現單一，無法實現多場景多種應用的問題，制備出一種具有抗凍防干、表面粘附力強、力學性能原位可調的功能水凝膠材料，并將這種材料組裝成柔性應變傳感器，根據特定的機械性能要求可實時監測人體運動。相關研究成果日前發表于《ACS應用材料與界面》雜志。

水凝膠柔性傳感器靈感來源和設計策略示意圖。安徽理工大學供圖

導電性水凝膠在電子皮膚和柔性可穿戴傳感器領域有著廣泛的應用前景。然而，常規水凝膠的機械性能表現單一，無法實現多場景的多種應用，導致一種水凝膠往往只能適用于某一種特定的使用環境。因此發展一類機械性能原位可調的水凝膠，以滿足其在不同環境下的應用，仍是一個亟待解決的關鍵科學問題。

“水凝膠的機械性能在很大程度上取決于分子鏈間相互作用力與交聯密度之間的關系，因此可以通過調控其網絡密度的策略實現其機械性能的原位調節，基于鋯離子和羧基在室溫下可以形成金屬配位特征，鋯離子可以作為‘ 分子鏈開關’來實現水凝膠的網絡密度調控，根據以上思路可以為本項目提供理論指導。”張曉勇向《中國科學報》介紹。

近年來，國內外專家學者圍繞水凝膠展開大量相關研究，且在可穿戴技術和個性化的醫療監測領域展現出廣泛的應用潛力。但由于水凝膠中含有大量的水，同時在零下溫度不可避免地會凍結，高溫條件下易脫水，導致使用壽命短，因此如何實現水凝膠機械性能的原位調節和環境耐受性仍然是一個挑戰。

此次研究中，張曉勇等提出了將3,4 -二羥基苯基-l-丙氨酸（L-Dopa）接枝聚丙烯酸和鋯離子引入水凝膠中，通過控制配位效應調節離子在聚合物鏈上的原位聚集狀態，從而原位改變水凝膠的機械性能。L-Dopa的兒茶酚基團賦予水凝膠對皮膚和設備界面(包括潮濕和干燥環境)的高粘附性。

“我們研究發現，通過加入與水分子結合能力更強的功能材料葡萄糖，可以限制水的蒸發和在低溫條件下的結晶性能，在零下35攝氏度至零下65攝氏度的寬溫度范圍內所制水凝膠展現出優異的環境穩定性，持續時間高達60天。”張曉勇說。

進一步，研究人員將這種功能水凝膠組裝成一種柔性的應變傳感器，它能夠根據具體的機械性能需求來監測人體的行為動作。張曉勇說，“這一特性為未來的可穿戴技術和個性化的醫療監測領域帶來了新的可能性。”

審稿人認為：作者將生物靈感和智能材料相結合，開發制備了性能優異的多功能柔性水凝膠材料，有效解決了傳統水凝膠保水性和抗冷凍性差，機械性能單一和粘接性差的問題，這是一項有趣且有價值的研究工作，為新一代具有更廣泛應用范圍的可穿戴設備提供新了創新思路。