《AFM》郑大申长雨院士/刘春太：低滞、透明、半互穿聚离子液体水凝胶传感器!

导电水凝胶在柔性传感器领域显示出巨大的应用潜力。但是通常制备的高韧性水凝胶具有高滞后性，导致传感性能不稳定。韧性和滞后性之间的权衡使得制备综合性能优良的导电水凝胶变得困难。为了提高水凝胶的韧性并降低其滞后性，人们采用了多种策略，如多蛋白交联、肽交联和链缠结等。因此，开发一种简便的方法来合成高韧性和低滞后的水凝胶，以促进其长期应用是至关重要的。近期，郑州大学申长雨院士、刘春太教授团队的杨佩佩博士和李松伟博士课题组通过丙烯酰胺（AM）/N-（三（羟甲基）甲基）丙烯酰胺（THMA）/1 乙烯基-3-丁基咪唑四氟硼酸盐（VBIMBF4）的原位聚合，设计了一种新型的半互穿聚离子液体网络水凝胶（PATV）。密度泛函理论计算表明，水凝胶网络中的聚离子液体链作为交联点，构建了氢键网络。氢键网络可以有效而迅速地耗散能量，避免了应力集中和高滞后。THMA上丰富的羟基使水凝胶具有良好的粘附强度。制备的PATV水凝胶具有低滞后（9%）、高拉伸性能（900%）、快速响应（180 ms）、高灵敏度（灵敏度因子为10.4，压缩灵敏度为0.14 kPa-1）和宽传感范围（拉伸范围：0.5-600%，压缩范围：0.1-20 kPa）等特点。基于PATV水凝胶的多功能传感器在人体运动检测、面部表情识别、语音、脉搏、手写、摩斯电码加密等方面具有实时、快速、稳定的响应能力。此外，组装的摩擦纳米发电机具有良好的能量收集能力（输出电压120 V，短路电流1.8 μA）。利用半互穿聚离子液体网络构建多功能导电水凝胶的新策略为未来智能柔性可穿戴传感器提供了新的思路。相关成果以“A semi-Interpenetrating Poly(ionic liquid) Network-Driven Low Hysteresis and Transparent Hydrogel as a Self-Powered Multifunctional Sensor”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

图1. PATV水凝胶的制备、表征及DFT计算

图2. 不同配比的PATV水凝胶的SEM图像、直径分布直方图以及XPS光谱

图3. PAT水凝胶和PATV水凝胶的力学性能

图4. PAT2V3水凝胶的粘附性能

图5. PAT2V3水凝胶的拉伸传感性能

图6. PAT2V3水凝胶传感器用于监测不同的人体运动

图7. PAT2V3水凝胶用作书写传感器及摩斯电码发射器

图8.基于PAT2V3水凝胶的TENG的输出性能

来源：国际仿生工程学会