成果简介
导电水凝胶因其在软机器人、电子设备和可穿戴技术等领域的潜在应用而备受关注。然而，由于传统水凝胶固有的脆性，其广泛应用一直受到限制。为了应对这一挑战，本文，长春工业大学吕雪等研究人员在《Macromolecules》期刊发表名为“Simple Fabrication of Silica Amino Sphere-Reinforced Ionic Liquids/Graphene Conductive Hydrogel Sensors with Super Toughness, Self-Healing, and Strain Sensitivity Properties”的论文，研究采用简单的一锅法设计了一种多功能导电水凝胶，其特点是具有双重物理交联网络。
设计融合了丙烯酰胺（AM）、甲基丙烯酸月桂酯（LMA）、石墨烯（GN）、二氧化硅氨基球（SiO2-NH2）和氯化十六烷基-3-甲基咪唑（ILs）。值得注意的是，LMA、SiO2-NH2 球和 AM 通过疏水结合和氢键在能量耗散中发挥了关键作用，成为动态交联点。这种结构配置使我们的 PAM@SiO2-NH2/(ILs-GN) 水凝胶具有惊人的拉伸应变，最高可达 15318%，同时还具有 51.4 MJ/m3 的超强韧性和自愈能力。
此外，ILs 还能促进石墨烯的有效分散，从而在水凝胶中产生卓越的导电性和稳定的电阻变化，导电性测量值为 12 mS/cm。该水凝胶还具有高灵敏度，在应变为 1200% 时的测量系数为 18.94。当作为应变传感器使用时，水凝胶能够实时监测人体的各种运动，捕捉大规模变形和微小的细微运动。这些研究结果表明，我们的水凝胶传感器在柔性电子皮肤应用方面具有巨大潜力，有望成为多功能传感器和柔性电极的候选材料。
图文导读
图1. PAM@SiO2-NH2/(ILs-GN) 水凝胶制造示意图。
图2. 二氧化硅氨基球的红外扫描测试。
图 3. (a-c) PAM@SiO2-NH2-(0.4 wt %)/(ILs-GN) 水凝胶的扫描电子显微镜图像。(d) 二氧化硅氨基球的扫描电子显微镜图像
图4. PAM@SiO2-NH2/(ILs-GN) 水凝胶的机械特性。
图5. PAM@SiO2-NH2/(ILs-GN) 水凝胶的力学性能。
图6：（a）PAM@SiO2-NH2/（ILs-GN）水凝胶具有重塑能力。(b) PAM@SiO2-NH2/(ILs-GN) 水凝胶具有良好的自愈合性能。(c) 水凝胶愈合后的应力-应变曲线。(d) 相应的愈合效率和应力。
图 7. (a) 不同伸长率（0、50、100 和 200%）下灯管亮度变化的照片。(b) 相对电阻值在 45% 的应变下循环 500 次时非常稳定。(c、d）水凝胶在小应变和大应变时的相对电阻变化。(e）水凝胶拉伸至 1200% 时的应变系数。(f) 响应时间。(g) 不同文献研究中水凝胶传感器 GF 值的比较。
图8. 将 PAM@SiO2-NH2/(ILs-GN) 水凝胶组装成可穿戴的应变传感器，用于实时监测人体的各种运动。
小结
综上所述，在 PAM 水凝胶中引入 SiO2-NH2 球和 GN 可制备出具有超强韧性和良好导电性的传感器。SiO2-NH2 球体与 PAM 之间形成的氢键相互作用赋予了 PAM@SiO2-NH2/(ILs-GN) 水凝胶超强应变（15,318%）和超强韧性（51.4 MJ/m3）。同时，独特的导电机制极大地促进了传感器的快速响应，应变传感器的应变范围为 0.1-1200%，GF 值达到 18.94。总之，这种水凝胶传感器能准确监测和区分人体的各种运动，包括肢体和关节运动。综上所述，本研究为设计具有超强韧性和良好导电性能的水凝胶传感器提供了一种新思路，在电子皮肤和人工智能领域具有很强的可扩展性和潜在的实用前景。
文献：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.3c00496
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