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陜科大王學川教授團隊官小玉等人在柔性金屬凝膠傳感器領域取得一系列重要進展

2024-12-23 來源：高分子科技

柔性電子傳感器具有良好的柔韌性、延展性，且結構形式靈活多樣，在電子皮膚、醫療保健、電工、運動器材、紡織品、航天航空、環境監測等領域受到廣泛應用。在眾多柔性傳感材料中，以金屬離子為導電介質、聚合物凝膠為柔性襯底的金屬配位水凝膠得到廣泛的關注。然而，大部分合成的金屬配位水凝膠因內在結構非均勻性或有效耗能機制不足導致其力學強度較弱且韌性不足。為此，陜西科技大學王學川教授團隊官小玉等人提出基于制革礦物鞣“先滲透-后結合”機制調控金屬配位水凝膠結構以大幅提升強韌性的新理念和策略，相關產品可用于智能手套/鞋墊、電子地板、關節運動監測、扁平足矯正、實時降雨監測、觸覺神經等柔性電子傳感領域。相關研究成果發表在Advanced Functional Materials, 2024, 34(21): 2313633；Advanced Functional Materials, 2024: 2414016；Chemical Engineering Journal, 2024, 489: 151353；ACS Applied Materials & Interfaces, 2024, 16(4): 5168-5182；International Journal of Extreme Manufacturing, 2024（預接收）。以上工作的實驗部分主要由研究生朱晏霞、鄭賽、張炳原同學完成，陜西科技大學官小玉副教授為論文第一作者（通訊作者），通訊作者還包括陜西科技大學王學川教授、韓慶鑫副教授，四川大學陳意教授，東京大學安盟研究員，日本理化學研究所Ito教授、EI-Gowily研究員。

1、基于礦物鞣“充分滲透”原理：采用“蒙囿”策略構筑金屬配位水凝膠及其在智能手套/鞋墊的柔性傳感應用

通過引入配位能力適中的“蒙囿”配體，達到減緩金屬離子與功能強配體之間的結合，保證金屬配合物充分滲透后再與凝膠功能配體緩慢結合。該策略在一定程度上提升了金屬配位水凝膠的強韌性，相關產品可用于柔性智能手套/鞋墊，在手語捕捉、虛擬現實（VR）技術、人工智能、人體運動監測等方面具有發展潛力。相關成果以“Masking Strategy Constructed Metal Coordination Hydrogels with Improved Mechanical Properties for Flexible Electronic Sensors”為題發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》（IF 8.3）。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c18077

2、基于礦物鞣“充分滲透”原理：采用“百葉窗開合”效應構筑金屬配位水凝膠及其在運動監測、扁平足矯正的柔性傳感應用

受“百葉窗開合”效應啟發，通過完全打開聚合物凝膠鏈層結構（類似完全打開的百葉窗），促使金屬離子充分滲透，實現金屬配位水凝膠強韌性的有效提升。該凝膠傳感器能夠有效監測關節運動、扁平足矯正，指導患者保持正確的步態、站姿和坐姿等。相關研究成果以“Shutters-Inspired Metal Ions Coordination Hydrogel Strain/Pressure Sensor for Joint Behavior Evaluation and Flatfeet Correction”為題發表在《Chemical Engineering Journal》（IF 13.3）。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151353

3、基于礦物鞣“高效結合”原理：采用“冷凍誘導”策略，構筑金屬配位水凝膠及其在實時降雨監測上的傳感應用

受南極鱈魚抗凍蛋白（AFPs）抵御嚴寒的啟發，通過低溫誘導策略，促進更多的凝膠功能配體與金屬離子牢固結合，以形成高配位數結構，從而提高金屬配位水凝膠的強韌性。該凝膠傳感器能夠適應不同降雨強度、地域環境乃至極端氣候條件的實時降雨監測需求，為防洪減災提供可能。相關研究成果以“Patagonian Toothfish-Inspired Aluminum Coordination Hydrogel Sensors for Real-time Rainfall Monitoring”為題被期刊《International Journal of Extreme Manufacturing》（IF 16.1）預接收（預計2025年2月正式出版）。

4、基于礦物鞣“高效結合”原理：采用“蜘蛛結網”策略，構筑金屬配位水凝膠壓離子傳感器

受蜘蛛網結構的啟發，通過充分利用金屬配體離子（[(OH)Cl₂]^3?）的潛力，促進Keggin型結構生成，并激活了凝膠功能基團，形成穩定結合的金屬配位水凝膠。該材料結合了優異的力學性能與壓離子發電特性，可潛在用于無痛癥患者觸覺神經系統的替代品，有助于防止患者因感知不足而遭受傷害。該工作也為能量收集、人機交互及生物電子材料的設計提供新的思路。相關研究成果以“Spider Webs-Inspired Aluminum Coordination Hydrogel Piezoionic Sensors for Tactile Nerve Systems”為題發表在《Advanced Functional Materials》（IF 18.5）。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202414016

5、基于礦物鞣“充分滲透、高效結合”原理，構筑金屬配位水凝膠柔性電子地板傳感器

將制革礦物鞣“先浸酸、后提堿”策略實踐于金屬配位水凝膠的制備過程中，實現金屬離子在凝膠體系中先充分滲透后高效結合，從而大幅提升凝膠的強韌性。該柔性凝膠傳感器在人體運動監測和電子地板等領域展現出廣闊的應用前景。相關研究成果以“Mineral Tanning-Inspired Metal Ions Coordination Hydrogels with Outstanding Mechanical Strength and Toughness for Flexible Force Sensors”為題發表在《Advanced Functional Materials》（IF 18.5）。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202313633

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（責任編輯：xu）

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