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祝賀邸祥同學在新型仿生智能導電水凝膠材料領(lǐng)域的科研工作
來源:孫平川研究員個人網(wǎng)站 發(fā)布日期:2022-06-04

傳統(tǒng)導電水凝膠由于存在內(nèi)部網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)缺陷、能量耗散機制低效以及功能性單一等問題,普遍表現(xiàn)出機械性能較差,靈敏度不佳,回彈性低和溶脹率高等缺陷,嚴重制約了在傳感監(jiān)測、語言識別及智能穿戴設備領(lǐng)域的應用。針對這些問題,受生物組織中多重動態(tài)物理相互作用形成多級結(jié)構(gòu)來增強材料性能的啟發(fā),從聚合物分子及多級網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計出發(fā),通過引入多重氫鍵和疏水締合等非共價相互作用,以及物理結(jié)晶和聚合物鏈纏結(jié)來構(gòu)筑動態(tài)物理交聯(lián)網(wǎng)絡,進而制備了一系列多重動態(tài)物理交聯(lián)協(xié)同增強的導電水凝膠材料,并探究了在運動監(jiān)測、語音識別及信息傳輸領(lǐng)域的應用。

1.受到海洋生物貽貝的啟發(fā),通過多巴胺修飾的多肽(PDAEA)與溫敏性聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)結(jié)合,成功設計制備了一種具有可控粘附性和應變響應性的導電水凝膠。該材料具有良好的彈性、抗拉伸性和自修復性能。(Materials Chemistry Frontiers, 2020, 4,189-196.)

2. 利用鹽析效應,設計并制備了一種具有高機械強度、高靈敏度和優(yōu)異導電性的離子導電水凝膠。由于高密度氫鍵和鏈纏結(jié)網(wǎng)絡的存在,離子導電水凝膠具有出色的機械性能,(拉伸強度(8.03 MPa),高韌性(28.7 MJ m-3)和高彈性模量(1 MPa)。此外,NaCl還賦予該傳感器在室溫和低溫條件下的高電導率(7.14 S/m),高精度(GF = 0.989)以及在較寬應變檢測窗口(0.2-400%)的靈敏應變響應能力。此水凝膠傳感器不僅能準確監(jiān)測各種人類的運動信息,包括說話、呼吸、關(guān)節(jié)彎曲等,還有望用于醫(yī)療監(jiān)測及語音識別等領(lǐng)域。(Materials Chemistry Frontiers,2021,5,315-323)

3. 受生物軟組織中異質(zhì)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的啟發(fā),利用“軟”氫鍵交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡與通過雙氫鍵、疏水作用和π-π堆積交聯(lián)的“剛性”域之間的連接,成功制備了一種基于疏水締合的新型離子導電水凝膠傳感器。該水凝膠具有高拉伸性能(680%)和高回彈性(92.53%),該水凝膠在較寬的溫度范圍(-20-25℃)具有較高的靈敏度(GF=3.12)和快速的應變響應(≤100 ms)。此外,還具有持久的穩(wěn)定性和抗疲勞性,可以檢測,包括手指,手肘,慢跑和喉部的變化的各種人類日常活動。因此,這種“軟硬”結(jié)構(gòu)為高性能離子導電水凝膠的制備提供了一種可行的解決方案,該材料在可穿戴設備、人工智能和電子皮膚等領(lǐng)域具有多功能傳感器的潛力。(Journal of Materials Chemistry A, 2021,9,20703-20713)



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