蘇州大學(xué)程絲教授課題組 Mater. Horiz.：受生物組織啟發(fā)的高強(qiáng)度和抗溶脹納米纖維水凝膠復(fù)合材料用于兩棲運(yùn)動(dòng)傳感

2024-09-06 來源：高分子科技

傳統(tǒng)的水凝膠在潮濕環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)明顯的膨脹，機(jī)械性能較差，這在很大程度上限制了其在可穿戴電子設(shè)備中的應(yīng)用，尤其是在水下傳感方面。此外，兩棲環(huán)境中對(duì)應(yīng)變傳感器的需求也在不斷增長，如植入式傳感器、水下機(jī)器人傳感器和游泳者智能報(bào)警器。兩棲環(huán)境要求傳感器能夠應(yīng)對(duì)各種環(huán)境變化，并在長期水下環(huán)境中保持導(dǎo)電穩(wěn)定性。

近日，蘇州大學(xué)程絲教授課題組從細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）結(jié)構(gòu)中汲取靈感，開發(fā)出一種具有優(yōu)異機(jī)械堅(jiān)固性和抗溶脹性的TPU-PVAc@AgNPs/MXene納米纖維狀水凝膠復(fù)合材料（TPAMH）。TPAMH納米纖維水凝膠復(fù)合材料是通過將銀納米粒子（AgNPs）和MXene納米片整合到一個(gè)由剛性TPU納米纖維作為纖維支架和甲酸交聯(lián)PVA水凝膠纖維作為彈性基質(zhì)（PVAc）的交織網(wǎng)絡(luò)中而成的(圖1)。得益于獨(dú)特的仿生ECM結(jié)構(gòu)，所獲得的納米纖維水凝膠復(fù)合材料具有優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、抗膨脹性和高檢測(cè)靈敏（最大GF= 105.02），可以有效監(jiān)測(cè)空氣和水環(huán)境中的各自人體運(yùn)動(dòng)，例如手指、肘部、手腕及膝蓋處的大應(yīng)變運(yùn)動(dòng)，皺眉、微笑和脈搏跳到等小應(yīng)變生理信號(hào)，以及水下多方向運(yùn)動(dòng)和利用摩斯密碼水下報(bào)警等。該工作以“Strong and Anti-swelling Nanofibrous Hydrogel Composites Inspired by Biological Tissue for Amphibious Motion Sensors”為題發(fā)表在《Materials Horizons》上。論文的第一作者為蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院碩士研究生任政。

圖1. 基于ECM結(jié)構(gòu)的TPAMH納米纖維水凝膠復(fù)合材料的制備

TPU-PVAc機(jī)械性能的大幅改善（圖2）歸功于納米纖維水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的多種機(jī)械能耗散機(jī)制，包括ECM中納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供的機(jī)械支撐，PVAc的不可逆化學(xué)交聯(lián)以及TPU和PVAc之間的可逆氫鍵。

圖2.TPAMH的機(jī)械性能

MXene與Ag納米顆粒的協(xié)同作用極大提升了TPAMH的靈敏度。由于具有高拉伸性和靈敏度，TPAMH 的相對(duì)電阻在很寬的應(yīng)變范圍內(nèi)顯示出可逆和穩(wěn)定的變化，包括低應(yīng)變（1-40%）和高應(yīng)變（50-500%）。此外，TPAMH還展示出出色的響應(yīng)/回復(fù)時(shí)間及循環(huán)穩(wěn)定性（圖3）。

圖3. TPAMH 的應(yīng)變傳感性能

TPAMH可以高精度地檢測(cè)手指、肘部、手腕和膝蓋的大應(yīng)變運(yùn)動(dòng)，以及皺眉、微笑和脈搏跳動(dòng)等小應(yīng)變生理信號(hào)(圖4)。

圖4. TPAMH用于人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)

TPU的疏水段會(huì)排斥水分子，并通過疏水相互作用使疏水基團(tuán)聚集在界面上，從而增強(qiáng)納米纖維水凝膠的抗溶脹性能。此外，與傳統(tǒng)PVA水凝膠相比，PVA與甲酸的交聯(lián)消耗了大量羥基，這也有助于提高其抗溶脹性能。在水中浸泡7天后，TPAMH的傳感性能基本上維持穩(wěn)定(圖5)。

圖5. TPAMH的抗溶脹行為和水下應(yīng)變傳感性能

得益于TPAMH具有出色的抗溶脹和傳感能力，使其能夠在水下變形過程中也能輸出穩(wěn)定的電信號(hào)。此外，它還能通過模擬莫爾斯電碼進(jìn)行水下通信和危險(xiǎn)預(yù)警，并能準(zhǔn)確檢測(cè)水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模式(圖6)。

圖6. TPAMH在水下運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和水下通信中的應(yīng)用

原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D4MH01025F

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（責(zé)任編輯：xu）

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