安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院青年教師張曉勇，針對常規(guī)水凝膠機械性能表現(xiàn)單一，無法實現(xiàn)多場景多種應(yīng)用的問題，制備出一種具有抗凍防干、表面粘附力強、力學(xué)性能原位可調(diào)的功能水凝膠材料，并將這種材料組裝成柔性應(yīng)變傳感器，根據(jù)特定的機械性能要求可實時監(jiān)測人體運動。相關(guān)研究成果日前發(fā)表于《ACS應(yīng)用材料與界面》雜志。
水凝膠柔性傳感器靈感來源和設(shè)計策略示意圖。安徽理工大學(xué)供圖
導(dǎo)電性水凝膠在電子皮膚和柔性可穿戴傳感器領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。然而，常規(guī)水凝膠的機械性能表現(xiàn)單一，無法實現(xiàn)多場景的多種應(yīng)用，導(dǎo)致一種水凝膠往往只能適用于某一種特定的使用環(huán)境。因此發(fā)展一類機械性能原位可調(diào)的水凝膠，以滿足其在不同環(huán)境下的應(yīng)用，仍是一個亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。
“水凝膠的機械性能在很大程度上取決于分子鏈間相互作用力與交聯(lián)密度之間的關(guān)系，因此可以通過調(diào)控其網(wǎng)絡(luò)密度的策略實現(xiàn)其機械性能的原位調(diào)節(jié)，基于鋯離子和羧基在室溫下可以形成金屬配位特征，鋯離子可以作為‘ 分子鏈開關(guān)’來實現(xiàn)水凝膠的網(wǎng)絡(luò)密度調(diào)控，根據(jù)以上思路可以為本項目提供理論指導(dǎo)。”張曉勇向《中國科學(xué)報》介紹。
近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者圍繞水凝膠展開大量相關(guān)研究，且在可穿戴技術(shù)和個性化的醫(yī)療監(jiān)測領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。但由于水凝膠中含有大量的水，同時在零下溫度不可避免地會凍結(jié)，高溫條件下易脫水，導(dǎo)致使用壽命短，因此如何實現(xiàn)水凝膠機械性能的原位調(diào)節(jié)和環(huán)境耐受性仍然是一個挑戰(zhàn)。
此次研究中，張曉勇等提出了將3,4 -二羥基苯基-l-丙氨酸（L-Dopa）接枝聚丙烯酸和鋯離子引入水凝膠中，通過控制配位效應(yīng)調(diào)節(jié)離子在聚合物鏈上的原位聚集狀態(tài)，從而原位改變水凝膠的機械性能。L-Dopa的兒茶酚基團賦予水凝膠對皮膚和設(shè)備界面(包括潮濕和干燥環(huán)境)的高粘附性。
“我們研究發(fā)現(xiàn)，通過加入與水分子結(jié)合能力更強的功能材料葡萄糖，可以限制水的蒸發(fā)和在低溫條件下的結(jié)晶性能，在零下35攝氏度至零下65攝氏度的寬溫度范圍內(nèi)所制水凝膠展現(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性，持續(xù)時間高達60天。”張曉勇說。
進一步，研究人員將這種功能水凝膠組裝成一種柔性的應(yīng)變傳感器，它能夠根據(jù)具體的機械性能需求來監(jiān)測人體的行為動作。張曉勇說，“這一特性為未來的可穿戴技術(shù)和個性化的醫(yī)療監(jiān)測領(lǐng)域帶來了新的可能性。”
審稿人認(rèn)為：作者將生物靈感和智能材料相結(jié)合，開發(fā)制備了性能優(yōu)異的多功能柔性水凝膠材料，有效解決了傳統(tǒng)水凝膠保水性和抗冷凍性差，機械性能單一和粘接性差的問題，這是一項有趣且有價值的研究工作，為新一代具有更廣泛應(yīng)用范圍的可穿戴設(shè)備提供新了創(chuàng)新思路。
