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林科院儲富祥、王基夫/南林大勇強 AFM：無液體、高回彈、抗凍纖維素共晶凝膠構筑新策略

2023-12-18 來源：高分子科技

電子皮膚（E-skin）具有類皮膚的物理-化學特性和感知特性，可感知多種外部環境的刺激（例如壓力、應變、濕度和溫度等），已被廣泛應用于軟機器人、人機界面、可穿戴電子和人工智能技術領域。共晶凝膠因優異的生物相容性、綠色無毒和高導電性等特性，被認為是設計開發電子皮膚的理想材料之一。然而，常見的共晶凝膠存在臨時鏈纏結、分子鏈間摩擦以及拉伸過程中鏈纏結的解纏等問題導致明顯的彈性滯后，其彈性性能難以與人類皮膚相匹配，進而導致在實時傳感應用中存在與人類組織機械失配和實時傳感信號滯后等不足。因此，制備高回彈、低滯后共晶凝膠對開發超彈電子皮膚具有極其重要的意義。

近日，中國林科院儲富祥研究員、王基夫研究員與南京林業大學勇強教授通過構筑纖維素錨定永久鏈纏結結構與致密動態犧牲鍵實現了無液體、高回彈、抗凍纖維素共晶凝膠的制備。該纖維素共晶凝膠中，纖維素通過多重氫鍵錨定聚合物鏈纏結，同時結合致密動態犧牲鍵的斷裂和快速重建以及ZnCl₂/EG金屬低共熔溶劑體系中乙二醇的潤滑作用，有效降低了共晶凝膠在拉伸過程中的鏈纏結的解纏以及分子鏈間摩擦，實現超高回彈性能，其回彈系數高達98.1%。此外，金屬鹽低共熔溶劑體系賦予纖維素共晶凝膠優異的導電性能和抗凍性能，該共晶凝膠在-20℃下依舊保持較好的彈性性能。基于此，纖維素共晶凝膠作為電極材料被用于組裝摩擦納米發電機，并在超彈自供能電子皮膚、人體運動監測以及人機交互等領域展現出高的應用價值。

圖1：高回彈、低滯后纖維素共晶凝膠結構與自供能E-skin示意圖。

圖2：（a）纖維素共晶凝膠的紅外光譜圖。（b-c）纖維素共晶凝膠的XPS譜圖。（d）纖維素共晶凝膠的SEM圖像和EDS圖譜。（e）纖維素共晶凝膠的電導率。（f）纖維素共晶凝膠出色的光學透明度。（g）纖維素共晶凝膠的流變性能。（h-i）纖維素共晶凝膠的機械性能。

圖3：（a-e）纖維素共晶凝膠的彈性性能。（f，h）纖維素共晶凝膠的環境適應性及低溫彈性性能。（g）纖維素共晶凝膠的高回彈機制。

圖4：（a）基于共晶凝膠摩擦納米電機（E-TENG）結構示意圖。（b）E-TENG的工作原理。（c-j）E-TENG的電輸出性能。

圖5：自供能E-skin在監測人體運動領域的應用。

圖6：（a-g）自供能E-skin在人機交互領域應用。自供能E-skin在（h）監測書寫及（i）陣列傳感器領域應用。（j）纖維素共晶凝膠3D打印特性。

該工作以“Skin-like transparent, high resilience, low hysteresis, fatigue-resistant cellulose-based eutectogel for self-powered E-skin and human-machine interaction”為題發表在《Advanced Functional Materials》上。南京林業大學盧傳巍副教授為文章的第一作者，通訊作者為中國林科院儲富祥研究員、王基夫研究員和南京林業大學勇強教授。該工作得到國家自然科學基金重大項目（31890774），國家自然科學基金（32201498，31971600）的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202311502

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（責任編輯：xu）

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