华南理工大学钟林新《AFM》：氧化石墨烯封装液态金属成就强韧水凝胶！

随着人机交互的飞速发展，各类柔性材料成为了该领域的研究热点。其中，可拉伸、坚韧的水凝胶作为人机交互界面材料具有极大的前景，可广泛用于柔性电子设备、可穿戴传感器和软机器人等。目前，设计双网络和结合纳米材料是提高水凝胶韧性的两种主要策略。液态金属 (LM) 由于其独特的特性，在制备功能性水凝胶领域备受青睐。然而，LM的高流动性以及LM与聚合物基质之间的不相容性使得研究者们难以获得坚韧的水凝胶材料。

华南理工大学钟林新等人受生物结构中韧带功能的启发，引入氧化石墨烯 (GO) 纳米片来封装 LM 液滴。GO纳米片、LM 和聚合物基质之间形成的强相互作用可以形成一个稳定的外壳，防止 LM 液滴破裂而渗出到聚合物网络中。该柔性 LM/GO 核壳微结构的设计克服了相分离难题，从而获得了坚韧的水凝胶材料，在 1240% 的伸长率下其应力可高达 303 kPa。该水凝胶还表现出对缺口不敏感性以及对各种表面的强附着力。这项工作开启了在可拉伸、坚韧水凝胶中使用 LM 的可能性。该研究以题为“Graphene Oxide EncapsulatingLiquid Metal to Toughen Hydrogel”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

【水凝胶的制备及力学性能】

作者以聚丙烯酰胺/海藻酸钠 (PAM/SA) 双网络结构作为可拉伸水凝胶基质，然后对 GO和 LM 进行超声处理来制备LMGO 悬浮液，最后将 LMGO 悬浮液与 SA、PAM、引发剂过硫酸铵 (APS) 和交联剂 N, N-亚甲基双丙烯酰胺 (MBAA) 混合，获得纳米复合水凝胶 P-LMGO（图 1a）。作者引入GO纳米片作为胶囊来封装 LM 纳米粒子，一方面GO中的含氧基团与LM中的Ga3+之间存在配位，形成稳定的外壳以防止LM渗出；另一方面，封装将丰富的含氧基团赋于 LM 液滴表面，显着增强其与聚合物基质之间的相互作用，从而避免相分离。拉伸试验表明，该水凝胶在 1240% 的伸长率下，其应力可高达 303 kPa，且在100次800%应变循环后仍具有 85% 的杨氏模量和 84% 的能量耗散。即使在水凝胶上加一个缺口，它仍然表现出出色的抗撕裂性，其应变仍可达到 800%（图2f）。

图1水凝胶的制备和流变性能

图2水凝胶的机械性能

【水凝胶的粘合性能】

作者进一步研究了水凝胶的粘附性能。水凝胶的粘附力可以分别在面外和面内方向承受和提升 1 kg 的重量（图3a，b）。即使浸泡在水中，其强大的附着力仍然可以举起1公斤的重量（图3c），证明其强大的水下粘附性能。面内搭接剪切测量表明，水凝胶的粘合剪切强度为 1040 kPa，远高于对照组（图 3d）。图3e显示了该水凝胶的附着机理，其粘附力包括：（I）机械互锁；（II）水凝胶和钢盘之间形成的相互作用；(III) 填料和聚合物基质之间的强能量耗散；(IV) GO 与LM 的分离。此外，该水凝胶对各种表面（包括金属、塑料、玻璃、橡胶等）表现出优异的粘合性，表明其在制造自粘附电子产品方面具有潜力。

图3水凝胶的粘合性能

【水凝胶的传感特性】

得益于水凝胶的可拉伸性和导电性，作者将其用于可穿戴电子设备。通过将一块水凝胶集成到一个带有LED的闭合电路中，LED 的亮度随着水凝胶的伸长而连续降低，表明其在压阻应变传感器中的潜在应用。图 4c 显示了水凝胶在各种应变下的传感可重复性，施加应变时阻力增加，释放后恢复其原始状态，且具有快速响应 (82 ms) 和恢复时间 (62 ms)，与人体皮肤的反应时间相匹配。该水凝胶还显示出在 900 次循环内以 100% 应变的高传感稳定性。基于应变电流转移能力，该水凝胶显示了在身体运动和生物信号检测中的应用，例如手指弯曲和饮水等（图 4e，f）。作者还制作了一个触觉传感阵列，以探索获取空间信息的可行性（图4g），该阵列可以轻松检测和区分不同的接触点，使其可用于智能解锁和互动娱乐系统。

图4 基于水凝胶传感器的传感性能

总结：作者通过模仿生物结构中韧带的功能，将GO包裹的LM纳米颗粒作为一种具有稳定核壳结构的柔性纳米填料，以提高水凝胶的机械性能。GO引入了稳定的壳层和丰富的含氧基团，在聚合物、GO和LM之间产生强烈的相互作用，从而避免了LM和聚合物之间的相分离。此外，LMGO 纳米填料赋予了水凝胶强大的粘合性能。由于独特的结构和高机械性能，该水凝胶显示出优异的压阻传感性能，有望用于 3D 打印的可穿戴电子产品。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202106761

来源：高分子科学前沿

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