《Small》德州学院顾相伶团队封面论文：MXene水凝胶多模态传感

一、研究背景：水凝胶的“不可能三角”

柔性电子和可穿戴设备的快速发展，对下一代传感材料提出了极高要求：既要柔软舒适，又要强韧耐用；既要高导电，又要高灵敏。

离子导电水凝胶因其类组织柔软质地、可调导电性和良好生物相容性，被认为是构建柔性传感器的理想平台。然而，传统水凝胶长期面临一个“不可能三角”困境：

• 机械性能与电学性能的 trade-off：高强度的网络往往限制离子/电子迁移，而大量导电填料的引入又可能破坏网络完整性；

• 制备工艺复杂耗时：为实现纳米填料的均匀分散和稳定复合，通常需要多次冻融循环、原位聚合等多步工序；

• 难以从分子层面主动强化：如何通过巧妙的制备策略主动增强聚合物链间的分子间相互作用，从源头优化网络结构，仍是待解的科学问题。

如何破解这一难题，成为该领域的研究焦点。

二、创新突破：“热激活-退火协同”+受限空间凝胶化

德州学院顾相伶教授团队在《Small》期刊发表封面级研究成果，提出了一种“热激活-退火协同”制备策略，首次揭示了环境因素对增强分子链间相互作用的决定性影响。

核心设计思路

研究团队以κ-卡拉胶（KC）和聚乙烯醇（PVA）为双聚合物网络骨架，引入MXene纳米片作为导电和光热功能单元，利用硼砂构建动态共价交联。

最关键的是，团队创新性地比较了两种退火环境——开放大气环境（TAO）和密封水热反应釜（TAC）——发现：

受限环境（TAC）下高温高压条件显著促进了聚合物分子链间的有效碰撞和氢键形成，分子动力学模拟证实g(r)值从开放环境下的16.2跃升至175，提升近十倍。

在这种“环境强化”效应下，KC的刚性物理网络、PVA的动态共价网络（硼酸酯键）和MXene的纳米增强效应多重协同：

• KC刚性网络：高温溶解后冷却形成双螺旋结构，提供基础骨架

• PVA动态共价网络：硼砂与PVA羟基形成可逆硼酸酯键，赋予柔性和自修复能力

• MXene功能网络：提供导电通路和高效光热转换能力

三、卓越性能：强度、韧性、疲劳“三冠王”

经过受限空间凝胶化制备的KPM-B水凝胶，展现出令人瞩目的综合性能：

性能指标

数值

对比意义

压缩强度 2.4 MPa

远超常规水凝胶

韧性 567.3 kJ/m³

同类材料中的佼佼者

疲劳循环 3000次

性能几乎不衰减

电导率 850 mS/m

MXene赋予优异导电性

响应/恢复时间 ~100 ms

快速可逆响应

拉伸和压缩测试表明，TAC方法制备的水凝胶在弹性模量、断裂应力、韧性等各项指标上均显著优于TAO方法制备的样品。这种性能优势源于受限环境下形成的更致密、更均匀的网络结构。

四、挚盒01RC：精准捕捉每一丝电阻变化

在传感性能测试中，研究团队面临一个关键挑战：如何实时、精准地捕捉水凝胶在不同形变下的电阻变化信号？

论文中明确记载，团队将水凝胶切割成条状样品，连接铜线建立单通道或多通道并联电路，接入挚盒（Core Box），通过蓝牙无线传输将信号实时发送至服务器，记录相对电阻变化（ΔR/R₀）

四、应用场景：从生理监测到人机交互 1. 全范围人体运动监测

将KPM-B水凝胶传感器贴附于人体不同部位，可清晰稳定地追踪手指、手腕、肘部、肩部、膝盖、脚踝等关节的屈伸运动信号。

2. 心电信号（ECG）监测

水凝胶作为电极贴片直接贴附于胸部、手腕和脚踝，记录的ECG波形清晰稳定，可准确识别P波、QRS复合波和T波，无明显基线漂移。接触阻抗低至51 Ω（100 Hz），远优于传统金属电极。

3. 智能手套与手势识别

团队将5个KPM-B水凝胶传感器集成到智能手套中，分别对应拇指、食指、中指、无名指和小指。每个传感器独立记录相应手指弯曲时的电阻变化，通过挚盒01RC多通道并行采集，信号经蓝牙传输至手机App实时显示。

实验证明，系统能够准确识别数字1-6、STOP、OK、GOOD、LOVE等手势，并进一步驱动机械手实时复现人体手势，实现低延迟的直观控制。

4. 光热响应与可回收性

MXene赋予水凝胶高效近红外光热转换能力。360 W近红外照射下，KPM水凝胶温度可达70°C，ΔT与光功率密度呈良好线性关系（R²=0.99）。

这一特性使水凝胶具备光控凝胶-溶胶相变能力——光照下液化、冷却后重新凝胶化，为材料的回收重塑提供了全新路径。

六、总结｜环境调控，让水凝胶“脱胎换骨”

这项工作的核心突破在于：不改变材料组分，仅通过制备环境的调控，就让水凝胶的性能实现了质的飞跃。

受限空间内的高温高压环境，将分子链间的氢键结合效率提升了近十倍，由此构建的致密网络为后续的动态交联提供了完美骨架。最终得到的KPM-B水凝胶，在强度、韧性、导电性、响应速度等关键指标上全面突破。

而挚盒01RC便携式多通道测试仪在整个研究链条中扮演了不可或缺的角色——从单通道电阻响应测试到五通道智能手套同步采集，它以多通道并行、蓝牙无线、高精度、快响应的特性，精准捕捉了水凝胶在每一寸形变下的电阻变化，为这项顶刊成果提供了可靠的数据支撑。

当柔性材料学会“感知”，当测试工具变得“聪明”，下一代可穿戴设备和人机交互系统的想象空间，正在被不断拓宽。

来源：智汇柔电