雙網絡 (DN) 水凝膠集成了長鏈和短鏈分子結構，由于其出色的機械性能，在可穿戴傳感器中表現出巨大的潛力。然而，傳統(tǒng)的水凝膠往往存在導電性差和靈敏度低的問題。在本研究中，我們開發(fā)了一種新型 DN 水凝膠（由聚丙烯酰胺/海藻酸鈉組成），它封裝了 MXene (Ti3C2Tx) 和液態(tài)金屬 (LM)。這種配置利用了嵌入在 DN 水凝膠網絡中的二維 MXene 和零維液態(tài)金屬的導電性能。Ti3C2Tx MXene 薄片通過充當導電橋來增強與 LM 的結合能力，從而改善界面相互作用并減少滯后。由這種復合 DN 水凝膠制成的應變傳感器具有高靈敏度（應變系數高達 12.84）、寬檢測范圍（0/%-1500/%）、快速響應時間（262/ms）以及出色的重復性和穩(wěn)定性。我們將這種應變傳感器集成到可穿戴柔性設備中，例如隱形眼鏡，從而能夠實時監(jiān)測人體生理壓力。
圖 1. PSML水凝膠傳感器的結構和表征。（A）PSML水凝膠傳感器的應用。（B）鱘魚的捕食方式。（C）PSML水凝膠的結構。（D）PSML水凝膠的制備過程。（E）MXene的TEM表征。（F）LM和MXene的TEM表征。（G）LM和PAC的TEM表征。（H）PSML水凝膠的掃描電子顯微鏡（SEM）。（I）PSML水凝膠和PAM/SA-Ca水凝膠的XRD表征。（J）PSML水凝膠和PAM/SA-Ca水凝膠的傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）表征。（K）PSML水凝膠和PAM/SA-Ca水凝膠的拉曼光譜表征。
圖 2. PSML 水凝膠的機械性能測試。（A）PAM/SA-Ca、PSM 和 PSML 水凝膠的拉伸性能比較。（B）PAM/SA-Ca、PSM 和 PSML 水凝膠的韌性和彈性模量。（C）PSML 水凝膠在 100%-400% 拉伸應變下的恢復率。（D）PSML 水凝膠在 100% 拉伸應變下的 10 次循環(huán)。（E）PAM/SA-Ca、PSM 和 PSML 水凝膠的壓縮性能。（F）PSML 水凝膠在 20%-80% 應變下的機械性能。
圖3. PSML水凝膠的電性能測試。（A）100%拉伸應力下PAM/SA-Ca、PSM和PSML水凝膠的電阻變化率。（B）、（C）20%-400%拉伸應力下PSML水凝膠的電阻變化率。（D）不同頻率下PSML水凝膠的電阻變化率。（E）PSML水凝膠的響應時間。（F）PSML水凝膠的靈敏度-應變圖。（G）500次循環(huán)后PSML水凝膠的電阻變化。（H）與其他文獻的拉伸性能和靈敏度的比較。
圖 4. PSML 水凝膠的應用。PSML 水凝膠傳感器放置在 (A) 手指、(B) 手腕、(C) 肘部，用于人體運動測量。(D) 描繪了無線數據傳輸系統(tǒng)。(E) PSML 水凝膠作為帶有傳感單元的隱形眼鏡。(F) (H) 中所示測試的示意圖。(G) PSML 水凝膠作為帶有傳感單元的隱形眼鏡，放置在隔離眼球上進行性能測試。
圖 5. PSML應變傳感器的傳感機理。（A）PSML水凝膠拉伸過程中MXene與LM之間的位置關系變化及相應的電阻變化。（B）PSML水凝膠壓縮過程中的變化及相應的電阻變化。（C）LM與MXene之間的距離變化與電子遷移之間的關系。
相關科研成果由太原理工大學Min Zhao，Weiyi Chen， Xiaona Li， Zhipeng Gao等人于2024年發(fā)表在Chemical Engineering Journal（https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156884）上。原文：Double network hydrogel confined MXene/Liquid metal by dynamic hydrogen bond for high-performance wearable sensors
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156884
轉自《石墨烯研究》公眾號
