東華大學(xué)研發(fā)強(qiáng)機(jī)械、多重傳感的透明水凝膠

具有高導(dǎo)電性和機(jī)械堅(jiān)固性的水凝膠在從醫(yī)療保健到軟機(jī)器人的各種應(yīng)用中均顯示出巨大的潛力。然而，這種材料的創(chuàng)造仍然是巨大的挑戰(zhàn)。最近，東華大學(xué)張世超研究員/丁彬教授團(tuán)隊(duì)提出了一種原位合成策略，用于開(kāi)發(fā)具有強(qiáng)大機(jī)械和電子性能的生物啟發(fā)化學(xué)合成二氧化硅-納米纖維增強(qiáng)水凝膠(SFRH)。該策略是在分散良好的二氧化硅納米纖維和乙烯基硅烷的存在下，由丙烯酰胺單體合成軟水凝膠基質(zhì)，從而產(chǎn)生具有創(chuàng)新界面化學(xué)鍵的均質(zhì)SFRH。

所得SFRHs表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，包括在1400%斷裂應(yīng)變下的0.3 MPa的高機(jī)械強(qiáng)度，0.11 MPa的高楊氏模量(與人體皮膚相當(dāng))以及1000次拉伸循環(huán)的超彈性而無(wú)塑性變形，同時(shí)保持了高透光率( ≥83%)。同時(shí)，SFRHs表現(xiàn)出增強(qiáng)的離子電導(dǎo)率(3.93 S m-1)，并可以高靈敏度(2.67的規(guī)格系數(shù))和超耐用性(10000次循環(huán))監(jiān)測(cè)多種刺激(拉伸，壓縮和彎曲)。這項(xiàng)工作可能會(huì)為各種用途的韌性和可拉伸水凝膠的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供啟發(fā)。

【主圖導(dǎo)讀】

圖1a)示意圖，顯示了SFRH的制備。b)表現(xiàn)出SFRH(3毫米厚)透明性的光學(xué)圖像。c)描繪SFRH網(wǎng)絡(luò)以及二氧化硅納米纖維和PAM鏈之間的界面物理和化學(xué)鍵。d)SFRH的XPS調(diào)查頻譜。e)SFRH用于Si 2p的高分辨率XPS光譜。f，g)SFRH在不同放大倍率下的微觀結(jié)構(gòu)。h)SFRH中單個(gè)納米纖維的FESEM-EDS元素圖顯示了相同區(qū)域中Si，O，C和N的分布。

圖2 a)具有不同L/d比的p-SFRH的σ-ε曲線。b)p-SFRH和c-SFRH的σ–ε曲線，其中在兩種不同的水凝膠中，納米纖維的L/d比固定為約400。c)圖片展示了c-SFRH的拉伸過(guò)程。d)SFRH和其他開(kāi)拓性水凝膠的拉伸彈性模量隨水分含量的變化而變化。e)示意圖，顯示了c-SFRH的拉伸過(guò)程。f)p-SFRH5，p-SFRH10和c-SFRH10的相互作用能。g，h)從水凝膠基質(zhì)中提取出L/d比率為5和10的兩種不同的二氧化硅納米纖維的模擬快照。i)從水凝膠基質(zhì)中拉出具有界面化學(xué)鍵合的二氧化硅納米纖維(L/d比為10)的模擬快照。在這三個(gè)模型中，水分子的顏色為紅色，PAM鏈的顏色為藍(lán)色，二氧化硅納米纖維的顏色為綠色。j)從水凝膠基質(zhì)中抽出二氧化硅納米纖維的相互作用能與時(shí)間的關(guān)系。

圖3a)p-SFRHs和b)c-SFRHs隨拉伸ε的增加，其循環(huán)拉伸σ-ε曲線。c)循環(huán)拉伸試驗(yàn)中磁滯面積的變化。d)ε為100%的多周期拉伸試驗(yàn)。e)楊氏模量，最大應(yīng)力和能量損耗系數(shù)與拉伸循環(huán)的關(guān)系。f)20°C下SFRH的儲(chǔ)能模量，損耗模量和阻尼比與角頻率的關(guān)系。g)SFRH的循環(huán)壓縮σ–ε曲線。h)具有不同二氧化硅納米纖維含量的SFRH的EIS奈奎斯特圖。i)SFRH和其他先前報(bào)道的離子導(dǎo)電水凝膠的拉伸應(yīng)力，應(yīng)變，韌性，模量和電導(dǎo)率的比較。

圖4a)基于SFRHs的傳感器的相對(duì)電阻變化與應(yīng)變的關(guān)系。b)基于SFRHs的傳感器在100%拉伸應(yīng)變下進(jìn)行1000次循環(huán)的循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試。c)壓力變化時(shí)傳感器的相對(duì)電阻變化和壓力靈敏度。d)在6.37 kPa壓力下傳感器的循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試10000次?；赟FRHs的傳感器的相對(duì)電阻變化響應(yīng)于e)各種角度的手指彎曲，f)肘部的反復(fù)彎曲/伸直運(yùn)動(dòng)和g)人脈。h)簽名感測(cè)的示意圖。相對(duì)抵抗力由不同的志愿者寫(xiě)成i)字母“ C”和j，k)“We”。

【總結(jié)】

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)原位合成策略制備了具有生物力學(xué)特性的化學(xué)合成納米纖維增強(qiáng)水凝膠，該水凝膠具有強(qiáng)大的機(jī)械和電子性能。在良好分散的二氧化硅納米纖維和乙烯基硅烷的存在下，由AM單體合成軟水凝膠基質(zhì)，從而獲得具有創(chuàng)新界面化學(xué)鍵的均質(zhì)SFRH。得益于柔性電紡二氧化硅納米纖維和牢固的界面結(jié)合，所得的透明SFRH在1400%應(yīng)變下表現(xiàn)出0.3 MPa的高機(jī)械強(qiáng)度，與人體皮膚相似的0.11 MPa的楊氏模量，2.98 MJ m-3的高韌性和超彈性。此外，由于相互連接的二氧化硅納米纖維帶有帶負(fù)電荷的表面羥基，SFRHs顯示出高的離子電導(dǎo)率(3.93 S m-1)，并且可以檢測(cè)到廣泛的應(yīng)變(0.5–1100%)和壓力(1–28 kPa)。具有強(qiáng)大的靈敏度(GF為2.67)和超耐用性(10000次循環(huán))，這使其成為用于檢測(cè)各種身體運(yùn)動(dòng)，人體脈搏和筆跡的有希望的軟傳感器。團(tuán)隊(duì)對(duì)具有生物啟發(fā)性的復(fù)合材料設(shè)計(jì)和機(jī)械堅(jiān)固的SFRH的輕松合成，為開(kāi)發(fā)離子導(dǎo)電水凝膠提供了強(qiáng)大的平臺(tái)，例如健康監(jiān)測(cè)，可穿戴電子產(chǎn)品，醫(yī)療診斷設(shè)備，組織工程，防偽和生物致動(dòng)器。