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  水凝膠是親水性高分子分散在水相環(huán)境中形成的“保水”材料，通常情況下，其具有優(yōu)異的生物相容性、力學(xué)柔韌性和環(huán)境友好等特點(diǎn)。通過(guò)多種物理化學(xué)方法，可以增強(qiáng)水凝膠的力學(xué)性能，如柔韌性和粘彈性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水凝膠在可穿戴傳感器方面的應(yīng)用潛力。盡管目前有許多關(guān)于凝膠型力學(xué)傳感器的報(bào)道，但是，一系列問(wèn)題同時(shí)存在。如為了增強(qiáng)凝膠的可拉伸性能或者強(qiáng)度，科學(xué)家設(shè)計(jì)合成了各種復(fù)雜的高分子材料，通過(guò)在高分子鏈中引入特殊功能的化學(xué)基團(tuán)，以增強(qiáng)水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的氫鍵，靜電引力，金屬螯合或者動(dòng)態(tài)共價(jià)相互作用。通過(guò)分子設(shè)計(jì)來(lái)改善水凝膠性能的方式猶如一把“雙刃劍”，一方面凝膠的力學(xué)性能顯著改善；但是，相伴而來(lái)的是制作成本以及合成難度的增加，這使得凝膠的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)難度提升。

  如何以更加經(jīng)濟(jì)的方式制作理想性能的工程化水凝膠材料是多學(xué)科領(lǐng)域存在的問(wèn)題。近日中國(guó)科學(xué)院納米能源與系統(tǒng)研究所李舟研究員課題組與合作者在工程化水凝膠制備和傳感應(yīng)用領(lǐng)域取得了新的進(jìn)展。該成果以“內(nèi)調(diào)控代替官能團(tuán)多樣性”的方式，將凝膠性能優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)從繁瑣的化學(xué)合成過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)槟z內(nèi)組分調(diào)控，從而大大縮減了制作的成本和工藝。研究人員首先對(duì)市面上常見(jiàn)的制作水凝膠的高分子材料（如殼聚糖，海藻酸鈉，聚乙烯醇）進(jìn)行了系統(tǒng)篩選，他們考察了8種水凝膠的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)基于聚乙烯醇（PVA）和聚乙二胺（PEI）的水凝膠表現(xiàn)出最佳的力學(xué)性能�；赑VA/PEI這一體系，研究人員對(duì)水凝膠進(jìn)行了細(xì)致的性能考察和優(yōu)化�？紤]到PVA和PEI顯示相反的電荷，他們通過(guò)改變PVA和PEI的配比，以實(shí)現(xiàn)分子間靜電引力的最大化。結(jié)果表明，當(dāng)PVA與PEI的比例從1:2變成2:1時(shí)，拉伸應(yīng)變和應(yīng)力分別增加了兩倍和六倍。

圖1. 基于PVA / PEI水凝膠的彈性體的概念圖和機(jī)械性能測(cè)試。a）概念圖，分子結(jié)構(gòu)和 水凝膠的光學(xué)圖像。b）不同PVA與PEI的比例（質(zhì)量）的水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。c）直方圖顯示不同凝膠的斷裂伸長(zhǎng)率（％）（I）拉伸強(qiáng)度（kPa）（II）和楊氏模量（kPa）（III）。d）當(dāng)彈性體（PVA2PEI1）拉伸到100％，200％，300％和400％時(shí)，無(wú)間隔的順序伸展-收縮循環(huán)曲線(xiàn)。

  接下來(lái)以PVA2PEI1為模型，考察了水含量對(duì)凝膠性能的影響。當(dāng)凝膠內(nèi)水含量從85%變成75%時(shí)，凝膠的拉伸應(yīng)力變化超過(guò)了6倍。最終，得到了最優(yōu)性能的凝膠的形式為：PVA2PEI1-75。該凝膠的斷裂應(yīng)變高達(dá)500%，對(duì)應(yīng)的斷裂應(yīng)力為0.6MPa。

圖2. 研究不同含水量的彈性體（PVA / PEI質(zhì)量比為2：1）的性能。a）水含量為75％，80％和85％的水凝膠的概念圖。b）應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)和f）不同含水量的水凝膠的光學(xué)圖像。c）大氣環(huán)境下水凝膠的水含量隨天而變化。d）暴露在空氣中不同天數(shù)的水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。e）水凝膠（PVA2PEI1-75）的儲(chǔ)能模量（G''）和損耗模量（G''''）。

  基于得到的水凝膠，研究人員探索其在壓阻性傳感器中的應(yīng)用。研究人員提高了凝膠的導(dǎo)電性能和力學(xué)性能。通過(guò)測(cè)試計(jì)算得到凝膠的敏感度因子 (gauge factor) 為9-22，明顯高于報(bào)道的同類(lèi)型傳感器。隨后，他們將制得的傳感器用于人體不同部位運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)，這些運(yùn)動(dòng)包括：手指/手肘/膝蓋的伸屈，嘴角的上揚(yáng)，眨眼運(yùn)動(dòng)，發(fā)聲動(dòng)作等。所有結(jié)果表明，基于PVA-PEI的傳感器具有極好的靈敏度和準(zhǔn)確度。最后，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和抗菌實(shí)驗(yàn)表明，該凝膠具備良好的生物兼容性以及抗菌性能。

圖3. 可拉伸彈性體在壓阻傳感器中的應(yīng)用。a）當(dāng)手指處于不同的彎曲角度時(shí)，電阻變化曲線(xiàn)：i）原始狀態(tài)；ii）彎曲30°；iii）彎曲60°；iv）彎曲90°。b）電阻變化和彎曲角度呈線(xiàn)性關(guān)系。c）腕部彎曲時(shí)店阻改變：i）彎曲；ii）原始狀態(tài)；iii）彎下腰。d）彎曲臂時(shí)電阻變化：i）原始狀態(tài)；ii）彎曲狀態(tài)。e）彎曲腿時(shí)電阻發(fā)生了變化。f）不同面部表情時(shí)阻力變化：i）面無(wú)表情，ii）微笑。g）皺眉時(shí)電阻發(fā)生變化。h）當(dāng)志愿者說(shuō)“ ni hao”（你好）時(shí)，相對(duì)抵抗力發(fā)生變化。 右插圖顯示了i）“ ni”和ii）“ hao”的單個(gè)脈沖。

  該研究提出了一種新的對(duì)凝膠的性能進(jìn)行“化繁為簡(jiǎn)” 優(yōu)化的方法，并得到了一種基于PVA-PEI的彈性水凝膠。由于該凝膠滿(mǎn)足可穿戴柔性電子器件的嚴(yán)格要求，未來(lái)，在應(yīng)變式壓力傳感器領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

  以上成果近期發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊Small（影響因子：10.8），論文題目為“Customization of Conductive Elastomer Based on PVA/PEI for Stretchable Sensors”，該論文共同第一作者為北京納米能源所博士研究生王嬋和日本國(guó)立量研機(jī)構(gòu)胡寬博士，通訊作者為李舟研究員。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201904758