柔性MXene水凝膠實(shí)現(xiàn)可穿戴人機(jī)交互

近年來，導(dǎo)電水凝膠在智能穿戴電子領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。盡管導(dǎo)電水凝膠目前得到了廣泛的研究，但機(jī)械性能（拉伸性能、強(qiáng)度和韌性）和電學(xué)性能（導(dǎo)電性、靈敏度和穩(wěn)定性）之間的平衡仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。此外，水凝膠在水中的不良膨脹會(huì)造成力學(xué)性能和電學(xué)性能的喪失，導(dǎo)致其無法在水環(huán)境中實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)具有優(yōu)異力學(xué)性能、電學(xué)性能和抗膨脹的導(dǎo)電水凝膠對(duì)水下柔性器件的開發(fā)至關(guān)重要。

近期，福州大學(xué)賴躍坤教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Functional Materials期刊上發(fā)表文章"Flexible MXene-Based Hydrogel Enables Wearable Human-Computer Interaction for Intelligent Underwater Communication and Sensing Rescue"，報(bào)道了采用疏水締和方法構(gòu)建具有優(yōu)異力學(xué)性能和電學(xué)性能的導(dǎo)電水凝膠。該導(dǎo)電水凝膠由明膠、丙烯酰胺、甲基丙烯酸十八烷基酯、SDS、NaCl和MXene制得，展現(xiàn)出高拉伸性（1224%）、高傳感線性度（R2=0.999）和寬應(yīng)變范圍（2% ~ 700%）。此外，研究人員進(jìn)一步通過表面封裝技術(shù)，成功在各種液體環(huán)境下實(shí)現(xiàn)液下監(jiān)測(cè)以及有效的水下信息傳遞，可對(duì)潛在危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警。該工作為智能可穿戴傳感器和水下監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與構(gòu)建提供了新的思路（圖1）。

圖1 導(dǎo)電水凝膠的合成示意圖以及用于水下通信和救援預(yù)警示意圖

如圖2所示，該水凝膠具有優(yōu)異的力學(xué)性能。疏水單體和親水單體通過膠束聚合。聚合物鏈的疏水部分與表面活性劑膠束形成動(dòng)態(tài)疏水締合，作為物理交聯(lián)中心，進(jìn)一步提高水凝膠的力學(xué)性能。

圖2 力學(xué)性能表征

如圖3所示，該導(dǎo)電水凝膠展現(xiàn)出0.999的高線性靈敏度，具有2% ~ 700%的寬應(yīng)變傳感范圍。在500%應(yīng)變下進(jìn)行1200個(gè)加載-卸載循環(huán)，顯示出穩(wěn)定的電阻響應(yīng)性和可重復(fù)性。同時(shí)也展現(xiàn)出寬范圍的壓力傳感性能。

圖3 傳感性能表征

通過使用PDMS/Triton X-100構(gòu)建表面防水層，該封裝層展現(xiàn)出優(yōu)異的水下穩(wěn)定性和水下粘附性。通過該封裝層包封的親水水凝膠同樣表現(xiàn)出優(yōu)異的水下抗溶脹性能，該方法為親水性導(dǎo)電水凝膠實(shí)現(xiàn)水下傳感提供了一種新的方法（圖4）。

圖4 表面封裝層

由于該復(fù)合器件的水下穩(wěn)定性，將其應(yīng)用于水下通信與運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。通過定義摩爾斯電碼，可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)信息傳遞。在水下可以實(shí)現(xiàn)彎曲，壓縮等接觸式傳感，也可實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境下的非接觸式水位檢測(cè)（圖5）。

圖5 水下通信與傳感

將水凝膠器件集成到報(bào)警系統(tǒng)中，當(dāng)傳感電流超過設(shè)置值時(shí)，LED燈開始閃爍并報(bào)警?？赏ㄟ^設(shè)定水位高度作為報(bào)警水位限，當(dāng)器件與水面高度差超過是設(shè)定值時(shí)，報(bào)警燈開始閃爍，展現(xiàn)出水下預(yù)警能力（圖6）。

圖6 水下智能預(yù)警系統(tǒng)

福州大學(xué)石油化工學(xué)院博士生倪藝萌為本論文的第一作者，賴躍坤教授，黃劍瑩教授和蔡偉龍教授為通訊作者。研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、福建省杰出青年自然科學(xué)基金項(xiàng)目、福建自然科學(xué)基金項(xiàng)目等基金項(xiàng)目的資助。

審核編輯：劉清