集成水凝胶传感器：基于定制离子液体的超拉伸

集成水凝胶传感器：基于定制离子液体的超拉伸图4 PAM/PBA-IL/CNF2 水凝胶的粘合性能。图3 a) 两种水凝胶用罗丹明 B 和亚甲蓝染色。b) 水凝胶被切成两半。c）两个染色的半圆形水凝胶在 5 分钟后愈合成完整的水凝胶，d）在 25°C 下 30 分钟。e) 拉伸下的自愈水凝胶。愈合时间为 f) 0、g) 5 和 h) 30 分钟的切割表面的显微镜图像。i) PAM/PBA-IL/CNF2水凝胶的自愈机制示意图。PAM/PBA-IL/CNF2 水凝胶的自愈能力：j) 自愈过程中 G' 和 G" 与时间的关系，以及 k) PAM/连续阶跃应变测量期间 G' 和 G" 对时间的依赖性 PBA-IL/CNF2 在小振动力和大振动力之间交替。l) 水凝胶和自愈 PAM/PBA-IL/CNF2 水凝胶在不同愈合时间下的应力应变测试。m) PAM/PBA-IL/CNF2水凝胶在不同自愈时间下的应力自

摘要

离子导电水凝胶（ICHs）整合了类组织材料的导电性能和柔软性，以模仿人体皮肤的机械和感官特性；因此，在制造人体运动传感器时，它们被认为是传统刚性金属导体的有希望的替代品。然而，通过简单的方法同时结合出色的拉伸性、韧性、离子电导率、自修复和粘附性仍然是一个巨大的挑战。近日，科研人员通过设计一种具有多种作用的苯基硼酸离子液体（PBA-IL），提出了一种新型的ICH平台，同时实现了高度的机械、电气和多功能特性。这种精心设计的半互穿网络 ICH 是通过将纤维素纳米原纤维 (CNF) 引入 PBA-IL/丙烯酰胺交联网络中的一种简便的一步法制造的。巧妙地，交联网络的动态硼酸酯键和物理相互作用（氢键和静电相互作用）赋予这些水凝胶显着的拉伸性（1810 ± 38%）、韧性（2.65 ± 0.03 MJ m-3）、自修复性能（92 ± 2% 效率）、粘合性和透明度。此外，这种材料的结构表明，CNFs 可以协同提高机械性能和导电性。宽工作应变范围 (≈1000%) 和高灵敏度 (GF = 8.36) 使该 ICH 成为构建下一代基于凝胶的应变传感器平台的有希望的候选者。

介绍

在过去的二十年里，软电子设备因其柔韧性、可拉伸性和人性化等特点而受到越来越多的研究；因此，这些特性赋予了这些设备广泛的应用，包括生物医学、军工、电子皮肤（e-skin）、可穿戴设备、智能机器人和人工智能。这些导电材料可以检测外部刺激（如伸展、弯曲和膨胀）并将其转换为电信号（如电阻、电流或电容）。大多数报道的传感器是通过将碳基材料（例如，碳纳米管、石墨烯）、导电聚合物（例如，聚苯胺、聚吡咯）或金属材料（例如，Ag 纳米线、液态金属）结合到弹性体基质中来生产的。然而，这些设备通常表现出固有的刚度、有限的拉伸性或狭窄的检测范围。特别是，这些器件在大变形时其导电性会出现不可逆转的劣化，这严重限制了它们的进一步应用。因此，制造具有可调柔性、稳定导电性和多功能性的理想传感器仍然是一个巨大的挑战。

主图导读

图1 a) PBA-IL的合成路线。b) 从天然木材生产 CNF 的示意图。c）PAM/PBA-IL/CNF水凝胶构建中的制造机制和分层动态网络。

图2 a) 照片显示 PAM/PBA-IL/CNF 水凝胶可以拉伸并具有出色的恢复性能；b) 举重。c）不同CNF含量的PAM/PBA-IL/CNF水凝胶的拉伸应力-应变曲线以及应力和模量值。d）不同CNF含量的PAM/PBA-IL/CNF水凝胶的应力和模量。e）不同CNF含量的PAM/PBA-IL/CNF水凝胶的应变和韧性。f h) 循环加载-卸载曲线和 g i) PAM/PBA-IL/CNF2 水凝胶在 100% 和 1000% 的应变下 15 个循环的相应能量耗散/能量耗散比。

图3 a) 两种水凝胶用罗丹明 B 和亚甲蓝染色。b) 水凝胶被切成两半。c）两个染色的半圆形水凝胶在 5 分钟后愈合成完整的水凝胶，d）在 25°C 下 30 分钟。e) 拉伸下的自愈水凝胶。愈合时间为 f) 0、g) 5 和 h) 30 分钟的切割表面的显微镜图像。i) PAM/PBA-IL/CNF2水凝胶的自愈机制示意图。PAM/PBA-IL/CNF2 水凝胶的自愈能力：j) 自愈过程中 G' 和 G" 与时间的关系，以及 k) PAM/连续阶跃应变测量期间 G' 和 G" 对时间的依赖性 PBA-IL/CNF2 在小振动力和大振动力之间交替。l) 水凝胶和自愈 PAM/PBA-IL/CNF2 水凝胶在不同愈合时间下的应力应变测试。m) PAM/PBA-IL/CNF2水凝胶在不同自愈时间下的应力自愈效率。

图4 PAM/PBA-IL/CNF2 水凝胶的粘合性能。

图5 a) LED 亮度随连接在电路中的 PAM/PBA-IL/CNF2 的伸长而变化。b) PAM/PBA-IL/CNF 在 25 °C 下具有不同 PBA-IL 含量的电导率。c) PAM/PBA-IL3/CNF2水凝胶在不同菌株下的相对电阻变化((R-R0)/R0)。d) PAM/PBA-IL3/CNF2 在施加电压为 2 V 时的响应和恢复时间。e) PAM/PBA-IL3/CNF2 在不同拉伸速度下拉伸至 100% 时的相对电阻变化。f，g）PAM/PBA-IL3/CNF2 在小应变（1-5%）和大应变（25-300%）下的相对电阻变化。h) PAM/PBA-IL3/CNF2 在 100% 应变下 500 次加载-卸载循环的相对电阻变化。i) PAM/PBA-IL3/CNF2 在切割和愈合循环期间的电流变化以及 LED 灯泡的相应亮度变化。j) 演示用于拨打电话号码的基于 PAM/PBA-IL3/CNF2 的电子皮肤。k) 通过将 PAM/PBA-IL3/CNF2 用作触摸屏笔来描绘图片。

总结

该团队通过简单的一步法合成了一种新型的 PAM/PBA-IL/CNF 半互穿网络 ICH。在分子设计方面，利用IL和PBA的固有特性，通过巧妙的结构设计，在简易系统中实现显着的集成性能。在ICH制造方面，“量身定制”的PBA-IL用于实现多功能和高性能的集成。由于动态共价键（可逆硼酸酯键）和非共价键（氢键和离子相互作用）的协同作用，PAM/PBA-IL/CNF 水凝胶显示出突出的电气和机械性能，包括超拉伸性（1810 ± 38%），大的断裂应力（349 ± 9 kPa）、粘弹性、自愈行为和可逆粘附性。此外，高导电性 PBA-IL 实现了在水凝胶基质中初步构建理想的导电网络结构，而 CNF 进一步提高了离子电导率。所得水凝胶还显示出良好的透明度（>95%）。实验结果进一步表明，这些有利特性的结合使我们的 ICH 可以组装成可穿戴传感器，以高灵敏度、稳定性和可重复性实时检测和区分各种人体运动。我们相信 PAM/PBA-IL/CNF 水凝胶将成为制造下一代高性能传感器的多功能平台，包括人机界面、电子皮肤和可穿戴设备中的传感器。

相关论文以题为Super Stretchable Self-Healing Adhesive Ionic Conductive Hydrogels Based on Tailor-Made Ionic Liquid for High-Performance Strain Sensors发表在《Advanced Functional Materials》上。通讯作者是陕西科技大学钱立伟博士，张素风教授。

参考文献：

doi.org/10.1002/adfm.202204565

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