人體內(nèi)的承重軟組織是很多的，包括肌腱、肌肉、軟骨和韌帶等，它們具有優(yōu)異的抗疲勞能力使其成為生物系統(tǒng)中不可或缺的承重部位。水凝膠與這些生物中的承載組織相比，由于聚合物鏈和非均相聚合物網(wǎng)絡(luò)密度比較低，合成的水凝膠是雜亂的多孔結(jié)構(gòu)，并且在使用過程中是脆弱的、易撕裂的，這阻礙了其在高強(qiáng)韌環(huán)境場(chǎng)景中的應(yīng)用。同時(shí)在水下環(huán)境中的應(yīng)用，水凝膠本身是一種三維親水聚合物網(wǎng)絡(luò)，在濕度較大的環(huán)境中很容易形成滲透壓差，大量的水分進(jìn)入到水凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)中，使水凝膠發(fā)生膨脹，從而改變水凝膠的力學(xué)性能，造成器件的損壞。
圖1：S-PM水凝膠制備流程
當(dāng)水凝膠經(jīng)過鹽析后，通過PVA分子鏈的糾纏增加，MXene與金屬離子的協(xié)同增強(qiáng)，水凝膠的力學(xué)性能有了很大的提升（圖2）,尤其是S-P3M1水凝膠鹽析后的斷裂強(qiáng)度更是達(dá)到了2.87 MPa，是其未鹽析時(shí)的168倍。S-P3M1具有高延展性、高強(qiáng)度、優(yōu)異的韌性和抗疲勞性能，這歸功于其多層次的結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)韌化機(jī)制。通過給S-P3M1水凝膠施加一個(gè)剪切缺口，來對(duì)水凝膠的裂紋擴(kuò)展進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)通過對(duì)試樣斷裂時(shí)狀態(tài)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)垂直于裂紋路徑的有序排列有效地阻礙了裂紋的擴(kuò)展，從SEM圖像和DIC圖像可以更清晰的觀察到在拉伸時(shí)，S-P3M1水凝膠的裂紋部分首先受力張開，但是在隨著應(yīng)力不斷增大時(shí)，裂紋受力消失，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉橇鸭y部分承受壓力并拉斷，且在拉伸過程中，非裂紋部分應(yīng)變?cè)龃螅鸭y部分應(yīng)變不變。
S-P3M1水凝膠由于其獨(dú)特的分形結(jié)構(gòu)和鹽析反應(yīng)產(chǎn)生的高密度交聯(lián)，也顯示出抗膨脹的潛力（圖3）。在圖3中，水凝膠在去離子水中浸泡1、3、5和7天后，力學(xué)性能幾乎相同，機(jī)械強(qiáng)度保持在0.65 MPa左右。并且溶脹前后的電化學(xué)阻抗譜(EIS)阻抗測(cè)試中，溶脹后的S-P3M1水凝膠電阻率僅提高了6%，說明水凝膠溶脹后仍保持了良好的導(dǎo)電性，這對(duì)在水中進(jìn)行傳感試驗(yàn)非常有利。
圖4：S-PM水凝膠溶脹前后的電學(xué)性能
由于S-P3M1水凝膠優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)性能，在集成式可穿戴傳感器中顯示出良好的應(yīng)用潛力。在圖5中，通過將不同程度的手指彎曲定義為點(diǎn)和線，使用莫斯電碼進(jìn)行傳感性能的表達(dá)，并設(shè)計(jì)了“SOS”和“ZZU”信號(hào)的測(cè)試。這些測(cè)試顯示了水凝膠通過重復(fù)使用識(shí)別不同信號(hào)的能力，突出了傳感器的優(yōu)越性。此外，S-P3M1水凝膠在水環(huán)境中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，適用于這種條件下的傳感或監(jiān)測(cè)任務(wù)，如水質(zhì)監(jiān)測(cè)和水下通信。
圖6：S-PM水凝膠實(shí)現(xiàn)LED顯示的人機(jī)交互能力
由于S-P3M1水凝膠優(yōu)異的機(jī)械和傳感性能，它也有望控制屏幕顯示，在可穿戴人機(jī)界面電子產(chǎn)品中具有應(yīng)用潛力。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)LED顯示屏的精確控制，采用16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將模擬壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這是通過計(jì)算機(jī)接口模塊進(jìn)行傳輸，確保壓力信號(hào)和LED顯示屏之間的高度同步。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，S-P3M1水凝膠不僅可以控制LED屏幕上簡(jiǎn)單的字母顯示，還可以動(dòng)態(tài)改變代碼，實(shí)時(shí)顯示不同的字母組合，如ZZU、CARBON、MXENE(圖6)。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202405880
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