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  離子導電水凝膠由聚合物網(wǎng)絡與電解質(zhì)鹽溶液組成，其具有高導電性、刺激響應性、生物相容性等特點，在可穿戴設備、健康監(jiān)測、人機界面等領域具有巨大的應用潛力。目前，研究者們制備了多種具有高離子電導率的水凝膠材料，并探索了它們的應用，但這些水凝膠通常缺乏有效的能量耗散網(wǎng)絡，導致力學強度較低，難以滿足實際應用的力學要求。因此，如何制備兼具高離子電導性與優(yōu)異力學性能的水凝膠材料是目前亟需解決的難題。

  生物纖維組織（皮膚、肌肉、韌帶等）具有良好的力學性能與刺激響應性，其力學性能可歸因于柔軟基質(zhì)中嵌入的韌性纖維（如膠原纖維）以及纖維與軟基質(zhì)之間的化學相互作用。受生物纖維組織結構的啟發(fā)，東華大學紡織科技創(chuàng)新中心俞建勇院士及丁彬研究員帶領的納米纖維研究團隊以柔韌二氧化硅納米纖維作為離子導電水凝膠的增強組分，同時引入乙烯基硅烷，通過水解縮合-自由基聚合方法在納米纖維與水凝膠網(wǎng)絡間原位化學交聯(lián)，獲得了兼具高拉伸模量與高離子電導率的水凝膠材料。該透明納米纖維增強水凝膠的拉伸強度為0.3MPa（斷裂應變?yōu)?400%），拉伸彈性模量為0.11MPa（與人類皮膚模量相當），1000次拉伸（100%應變）循環(huán)無塑性變形。

圖1. a）納米纖維增強水凝膠的制備示意圖，b）納米纖維增強水凝膠的光學圖像，c）二氧化硅納米纖維和PAM鏈之間的物理/化學作用示意圖，d）水凝膠的XPS光譜，e）Si元素的高分辨XPS光譜，f、g）不同放大倍數(shù)下水凝膠的SEM圖，h）EDS圖譜。

  所制備的納米纖維增強水凝膠材料具有高離子電導率（3.93 S m^-1），可檢測寬范圍拉伸應變（0.5-1100%）和壓縮應力（1-28kPa），同時具有較高靈敏度（GF=2.67）和循環(huán)穩(wěn)定性（10000次壓縮傳感信號強度幾乎不變），可高靈敏度檢測人體運動及脈搏跳動。此外，納米纖維增強水凝膠傳感器可有效檢測復雜且微小的外界刺激，如書寫字跡，在字跡防偽領域具有潛在應用價值。該復合水凝膠的設計思路和簡易的制備過程為開發(fā)新一代可拉伸的強韌離子導電水凝膠材料提供了新思路。

圖2. a）水凝膠傳感器的相對電阻變化與應變的關系曲線，b）水凝膠傳感器在100%拉伸應變下1000次循環(huán)穩(wěn)定性，c）傳感器在不同壓力下的相對電阻變化和壓力靈敏度，d）傳感器在6.37kPa壓力下10000次循環(huán)穩(wěn)定性，水凝膠傳感器檢測e）手指不同角度彎曲、f）肘部重復彎曲運動和g）人體脈搏，h）字跡感應示意圖，i）書寫字母“C”和j，k）不同的志愿者書寫“we”的相對電阻變化。

  以上相關研究成果以“In Situ Synthesis of Mechanically Robust, Transparent Nanofiber-Reinforced Hydrogels for Highly Sensitive Multiple Sensing”為題發(fā)表于Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202103117)，該論文第一作者為東華大學紡織學院博士生盧緒燕，共同通訊作者為丁彬研究員和張世超研究員。該項研究得到了國家自然科學基金、上海市教育委員會、中央高校基礎研究項目的大力資助。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202103117