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  近日，天津大學化工學院李俊杰教授，姚芳蓮教授團隊在水凝膠基應變壓力傳感器方面取得了系列性研究進展。

  柔性可穿戴器件由于其在能量儲存材料，電子皮膚以及傳感器方面的應用受到了研究者們的廣泛關注。其中，應變壓力傳感器可以像皮膚一樣將外界刺激比如壓力，應變，溫度等轉換為電信號，因此在次世代電子皮膚中有著巨大的潛在應用。然而，傳統復合物基傳感器受到低檢測范圍，復雜的制備工藝，以及與人體的低相容性的限制，難以滿足實際應用的需求。而水凝膠由于其寬檢測范圍，良好的相容性，靈敏度以及導電性成為了壓力應變傳感器的優異候選并得到了廣泛的研究，極大了解決了傳統復合物傳感器所面臨的一些困難。為了提高水凝膠傳感器的靈敏性和可使用的環境范圍，李俊杰教授，姚芳蓮教授團隊開展了系列研究工作：

  (1) 高強度水凝膠基應力應變傳感器：利用納米復合策略，將疏水的碳納米管通過明膠或表面活性劑（SDS）分散在親水的水凝膠網絡中，從而形成納米復合水凝膠。碳納米管作為物理交聯劑結合水凝膠網絡極大地增強了水凝膠的機械性能（包括拉伸行為、抗疲勞性和自恢復性能），并且賦予水凝膠優異的導電性和應變傳感性。利用這些優點，成功制備了可以檢測包括關節運動，發聲等一系列的人體運動的應變以及壓力傳感器，證實了水凝膠在可穿戴設備領域的巨大潛力。研究成果發表在Chemical Engineering Journal（2020， 382，122832）和ACS Appl. Mater. Interfaces （2020, 12, 4944?4953）上，第一作者分別為天津大學化工學院碩士研究生孫俠和博士研究生秦志輝。

圖1.聚丙烯酰胺-氧化碳納米管納米復合高強度水凝膠傳感器

  （2）環境適應性水凝膠傳感器：由于水凝膠在長期使用，特別是在干燥環境中容易失水，在低溫條件下容易結冰，使其應用范圍受到了很大的限制。該課題組通過簡單的溶劑置換方法，分別制備了明膠-甘油/檸檬酸鈉離子導電抗凍有機水凝膠（ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11: 21184-21193; J. Mater. Chem. A, 2020,8, 4447-4456）和黃原膠-鐵離子/聚丙烯酰胺-甘油離子導電抗凍有機水凝膠（Chemical Engineering Journal, 2021, 404: 126559）。極大地提高了水凝膠的保濕和抗凍性能，使能在常溫長期保持良好的柔性特征，而且在低溫（< -30 ℃）仍然很好的拉伸性能和導電性。可為水凝膠基可穿戴電子傳感器在低溫或干旱環境的使用提供條件。天津大學化工學院博士研究生于慶雨和秦志輝分別為該系列論文的第一作者。

圖2. 明膠基可回收抗凍導電水凝膠傳感器

  基于上述研究工作，發表了題為Nanocomposite hydrogel-based strain and pressure sensors: a review的綜述，主要介紹了最近幾年納米復合水凝膠基傳感器的研究進展。該綜述全面總結了納米復合水凝膠基應變壓力傳感器設計過程中所遇到的一些問題與挑戰，并根據納米粒子特性將納米復合水凝膠分為：碳納米管基，氧化石墨烯基，MXene基，聚合物納米粒基，以及其他納米粒子基五個類型。同時，總結了納米復合水凝膠導電與傳感的機理，以及不同類型納米復合水凝膠的優缺點。最后總結了納米復合水凝膠基應變壓力傳感器在不同領域的應用以及未來設計中所亟待解決的問題。該綜述論文發表在Journal of Materials Chemistry A上。天津大學化工學院碩士孫俠為該論文第一作者，天津大學化工學院李俊杰教授，姚芳蓮教授為以上論文的通訊作者。

圖3. 納米復合水凝膠基應變壓力傳感器的分類及其應用

  該工作得到了國家自然科學基金及國家重點研發計劃的支持。

  全文鏈接：

  https://doi.org/10.1039/D0TA06965E

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.122832

  https://dx.doi.org/10.1021/acsami.9b21659

  https://dx.doi.org/10.1021/acsami.9b05652

  https://doi.org/10.1039/c9ta13196e

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126559