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  開發(fā)能夠?qū)θ藗兩眢w各運動尺度進行監(jiān)測的透明柔性傳感器是非常有意義的。然而，由于導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)對材料網(wǎng)絡(luò)的負面作用，同時實現(xiàn)柔性傳感器高延展性、高靈敏度和良好線性等性能依然是一項艱巨的挑戰(zhàn)。梯度結(jié)構(gòu)，作為一種普遍存在于自然生物體中，往往能夠賦予材料優(yōu)異的力學(xué)性能。

  因此，廣州大學(xué)吳旭團隊徐秀彬等人基于梯度結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，在《ACS Applied Materials & Interface》期刊上發(fā)表了題為“A Surface-Confined Gradient Conductive Network Strategy for Transparent Strain Sensors toward Full-Range Monitoring“的文章（DOI：10.1021/acsami.1c14875）。為了解決導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)對水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的負面影響，該團隊通過采用快速浸泡的策略，將導(dǎo)電聚合物限域在水凝膠表面，避免其在水凝膠網(wǎng)絡(luò)的大范圍分布而降低力學(xué)性能。同時，由于在濃度梯度的驅(qū)動下，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)在水凝膠表面處的分布也會相應(yīng)地實現(xiàn)梯度分布，從而成功在水凝膠中構(gòu)筑了表面限域梯度導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該梯度導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能顯著改善水凝膠柔性傳感器的靈敏度和線性關(guān)系。

圖1 具有表面限域梯度導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水凝膠柔性應(yīng)變傳感器的制備示意圖

  在該策略的幫助下，該水凝膠傳感器可實現(xiàn)4000%的超高拉伸性。并且由于黑色的導(dǎo)電聚合物僅在水凝膠表面少量分布，因此，該傳感器在600 nm波長下的透明度可超過90%。而在梯度導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的幫助下，其靈敏度可提高到3.0，在0%至4000%應(yīng)變的超寬范圍內(nèi)同時實現(xiàn)了出色的線性傳感性能，其R²值為0.994。作為上述性能的結(jié)果，該水凝膠傳感器能夠順利監(jiān)測人體大尺度和小尺度的運動和活動。這種表面限域梯度導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以為新型柔性應(yīng)變傳感器的開發(fā)開辟一條新的途徑，該傳感器具有良好的機械、透明和傳感性能，可用于全方位監(jiān)測人類活動。

圖2（A）水凝膠覆蓋的書法照片; (B）在吡咯溶液中浸泡不同時間的水凝膠的紫外透過率(C）浸泡時間分別為5、10和60 s的水凝膠樣品的橫截面照片。黃色區(qū)域顯示浸泡時間為10和60 s的水凝膠樣品的放大部分(D）在水凝膠表面制備的太極圖案的照片和（E）顯示太極的不同位置可實現(xiàn)電阻變化并調(diào)節(jié)LED燈的亮度。光強度從照度的1.4 Lux改變?yōu)?0.8 Lux(Lux：照度的國際單位制單位）。

圖3（A）含有不同mPEG含量的Chs/AAm水凝膠的拉伸曲線；(B）CHSS-63%和不同mPEG含量的Chs/AAm水凝膠的楊氏模量；(C）加入PPy前后Chs/AAm-63%和CHSS-63%的拉伸曲線；(D）打結(jié)和扭曲CHSS-63%樣品的照片；(E）CHSS-63%樣品抗切割、壓制和極端拉伸損壞的照片；(F）CHSS-63%的無限壓縮剖面圖，插圖顯示了極限壓縮程度前后的CHSS，壓縮印記用紅色虛線突出顯示；(G）CHSS-63%膠片被110 G鋼球撞擊而未破裂的照片。

圖4 該水凝膠傳感器對各種人類身體活動傳感監(jiān)測性能：（A）降低和（B）揚起眉毛，（C）微笑，（D）大笑，（E）揚眉，（F）大笑，（G）說話、咳嗽和吞咽。

  論文第一作者為廣州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院徐秀彬講師、廣州大學(xué)研究生陳睿和李云龍，論文通訊作者為廣州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院徐秀彬講師和吳旭副教授。

  論文相關(guān)鏈接：

  Xiubin Xu*,#, Rui Chen#, Yunlong Li#, Danfeng Yu, Junmin Chen, Ian Wyman, Chuanghong Xiao, Siyu Peng, Yanting Chen, Xiaofeng Hu, and Xu Wu*. A Surface-Confined Gradient Conductive Network Strategy for Transparent Strain Sensors toward Full-Range Monitoring。

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c14875

  作者簡介

  吳旭，工學(xué)博士，大連理工大學(xué)精細化工國家重點實驗室和加拿大Queens University訪問學(xué)者，廣州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院副院長、廣州大學(xué)分析測試中心副主任、副教授，廣東省節(jié)能環(huán)保精細化學(xué)品工程技術(shù)研究中心主任、廣東省聯(lián)合培養(yǎng)研究生示范基地負責(zé)人、廣東省化工學(xué)會理事。入選廣東省青年珠江學(xué)者，廣州市羊城學(xué)者、珠江科技新星和高層次人才。迄今在AIChE J、Chem Eng Sci、Chem Eng J等期刊已發(fā)表SCI論文48篇，第一發(fā)明人獲中國授權(quán)發(fā)明專利12件、日本授權(quán)發(fā)明專利1件；已主持國家自然科學(xué)基金（面上、青年）、廣東省科技計劃和企業(yè)合作等科研項目12項。團隊有較多研究生名額，歡迎各位學(xué)生報考。E-mail: xuwu@gzhu.edu.cn