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  導(dǎo)電水凝膠（CH）結(jié)是近年來柔性電子材料研究的熱門方向之一。出色的物理化學(xué)特性（例如可拉伸性和高電導(dǎo)率）使其在柔性應(yīng)變傳感器和可拉伸摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）的相關(guān)研究中受到重視。然而，以水為分散介質(zhì)的CH在環(huán)境中面臨著凍結(jié)與失水的難題，大大限制了其應(yīng)用范圍。為此，鄭州大學(xué)申長雨院士、劉春太教授團(tuán)隊與北京化工大學(xué)萬鵬博教授合作將自由基聚合合成的聚丙烯酰胺/蒙脫土/碳納米管水凝膠中的部分水通過甘油置換，制備了一種具有環(huán)境耐受性且可拉伸的有機(jī)導(dǎo)電水凝膠。這種有機(jī)水凝膠表現(xiàn)出出色的溫度耐受性（-60至60 °C）、良好的穩(wěn)定性（在正常環(huán)境下為30天）以及優(yōu)異的應(yīng)變傳感性能，可以有效地檢測和區(qū)分在各種條件下的人體活動。此外，該有機(jī)水凝膠可以組裝成單電極TENG，即使在500％應(yīng)變下仍顯示出穩(wěn)定的能量收集能力，并且在寒冷條件下也可以直接為可穿戴電子設(shè)備供電。

圖1. 耐受極端環(huán)境的MMCOH的制備與結(jié)構(gòu)

  本工作基于簡單的溶劑替換策略，通過將自由基聚合合成的聚丙烯酰胺/蒙脫土/碳納米管（CNT）水凝膠浸泡在丙三醇中，水凝膠中的部分水替換成甘油，制備了環(huán)境耐受性的有機(jī)水凝膠MMCOH（圖1）。MMCOH顯示出優(yōu)異的抗凍和抗干燥性能。

圖2. MMCOH作為耐環(huán)境應(yīng)變傳感材料

  MMCOH作為可穿戴應(yīng)變傳感材料可以在超寬的工作應(yīng)變范圍（0-4196%）內(nèi)具有高的靈敏度（圖2a）。如圖2b所示，這種應(yīng)變-電阻效應(yīng)歸因于在變形過程中3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中相鄰CNT間電子傳輸?shù)淖兓约坝糜陔x子傳導(dǎo)的多孔微結(jié)構(gòu)的變化。該有機(jī)水凝膠用作應(yīng)變傳感器具有優(yōu)異的響應(yīng)穩(wěn)定性以及良好的耐受極端環(huán)境特性。基于MMCOH的傳感材料在惡劣條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的傳感特性使其可作為可穿戴應(yīng)變傳感器用以檢測復(fù)雜的人體運動。該研究將有機(jī)水凝膠基傳感材料組裝成5×5的傳感陣列，研究了其在人造電子皮膚方面的應(yīng)用（圖3），該工作在電子皮膚和人機(jī)交互方面有良好的應(yīng)用前景。

圖3.人體運動檢測

  作者采用聚氨酯薄膜作為接觸摩擦材料層，MMCOH作為電極層，構(gòu)造了一種三明治結(jié)構(gòu)的抗凍和抗干燥有機(jī)水凝膠基TENG（AOH-TENG）（圖4a）。AOH-TENG的最大輸出功率密度為41.2 mW/m²，其在14000次接觸/分離運動中均表現(xiàn)出穩(wěn)定的電輸出（圖4e），滿足納米發(fā)電機(jī)的可靠性要求。在環(huán)境條件下存放2個月后，AOH-TENG的電輸出未出現(xiàn)明顯衰退，展示出優(yōu)異的電子傳輸能力和可重復(fù)性，證明了該有機(jī)水凝膠電極在拉伸性和穩(wěn)定性方面的巨大優(yōu)勢。

  作者還設(shè)計了一種自充電電源系統(tǒng)評估AOH-TENG的發(fā)電能力。該AOH-TENG能夠在寒冷條件下通過擺臂運動收集足夠的機(jī)械能點亮20個LED，從而證明了其在極端條件下的可靠性。AOH-TENG在較寬的溫度范圍內(nèi)（-60至60 °C）均表現(xiàn)出出色的電輸出穩(wěn)定性。

圖4. AOH-TENG的電輸出性能

  相關(guān)的研究內(nèi)容以“Environment Tolerant Conductive Nanocomposite Organohydrogels as Flexible Strain Sensors and Power Sources for Sustainable Electronics”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。論文第一作者為鄭州大學(xué)橡塑模具國家工程研究中心孫紅玲博士。通訊作者為鄭州大學(xué)的代坤教授和和北京化工大學(xué)的萬鵬博教授。該研究得到了國家自然科學(xué)基金項目、國家自然科學(xué)基金-河南省聯(lián)合基金、河南省高校創(chuàng)新人才支持計劃等項目的資助。

  全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202101696