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  導(dǎo)電水凝膠因其優(yōu)異的導(dǎo)電性、類皮膚模量和良好生物相容性，被視為柔性導(dǎo)電材料的理想候選。然而，傳統(tǒng)水凝膠骨架中的親水基團(tuán)使其在潮濕環(huán)境中極易吸水膨脹，導(dǎo)致機(jī)械性能顯著下降，并嚴(yán)重影響傳感精度。更關(guān)鍵的是，潮濕條件下材料表面形成的水合層會(huì)阻礙水凝膠與基底的相互作用，削弱粘附力，增加脫落風(fēng)險(xiǎn)，制約了其在水下等復(fù)雜場景的長期穩(wěn)定應(yīng)用。因此，開發(fā)抗溶脹水凝膠對(duì)保障水下活動(dòng)的安全監(jiān)測至關(guān)重要。

  針對(duì)這一挑戰(zhàn)，福州大學(xué)賴躍坤教授、黃劍瑩教授團(tuán)隊(duì)和安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)朱天雪教授近期通過簡便的“一鍋法”，成功制備了一種新型雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠（PAHCT）。該工作以丙烯酸（AA）、甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）、單寧酸（TA）和季銨化殼聚糖（QCS）為原料，通過一步自由基聚合，巧妙構(gòu)建了基于多重氫鍵、靜電相互作用及鏈纏結(jié)協(xié)同的高密度交聯(lián)雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，專為兩棲環(huán)境運(yùn)動(dòng)傳感設(shè)計(jì)。相關(guān)成果以“UV-cured Dense Double Network Hydrogel via Multiple Dynamic Crosslinking for Stable Amphibious Motion Sensing”為題發(fā)表于國際頂級(jí)期刊《Advanced Functional Materials》。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)與卓越性能：

  （1）雙網(wǎng)絡(luò)協(xié)同增強(qiáng)：PAHCT水凝膠由丙烯酸與甲基丙烯酸羥乙酯共聚形成第一網(wǎng)絡(luò)，季銨化殼聚糖（QCS）構(gòu)成第二網(wǎng)絡(luò)，并引入單寧酸（TA）作為多功能組分。

  （2）多重動(dòng)態(tài)交聯(lián)：丙烯酸電離產(chǎn)生的羧基與殼聚糖季銨根之間形成強(qiáng)靜電作用；同時(shí)，單寧酸的酚羥基、聚丙烯酸鏈段的羧基以及甲基丙烯酸羥乙酯的酯基之間產(chǎn)生豐富的多重氫鍵。這些密集的動(dòng)態(tài)相互作用，結(jié)合聚合物鏈的物理纏結(jié)，極大提升了水凝膠的交聯(lián)密度。

圖一PAHCT水凝膠的合成機(jī)理及相關(guān)表征

  高交聯(lián)密度賦予水凝膠優(yōu)異的力學(xué)性能（拉伸率高達(dá)990%，斷裂強(qiáng)度96 kPa）和突出的抗疲勞性（循環(huán)拉伸測試表現(xiàn)穩(wěn)定）。單寧酸的引入則貢獻(xiàn)了強(qiáng)大的普適性粘附力（對(duì)多種基材粘附牢固，10次循環(huán)后強(qiáng)度無衰減）。

圖二水凝膠的力學(xué)及粘附性能

  基于PAHCT水凝膠優(yōu)異的拉伸性和粘附性，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)測試了其傳感性能：

  寬應(yīng)變范圍與穩(wěn)定性：傳感器具備寬應(yīng)變傳感范圍，且在50-200 mm/min的不同拉伸速率下，電阻變化（ΔR/R?）保持穩(wěn)定。

  高分辨與可靠性：能清晰區(qū)分10%-500%應(yīng)變下的循環(huán)信號(hào)，電阻變化呈現(xiàn)周期性且高度穩(wěn)定，并在長達(dá)800次的循環(huán)測試中表現(xiàn)可靠。

圖三PAHCT水凝膠的傳感性能

  正是得益于多重交聯(lián)構(gòu)筑的高密度網(wǎng)絡(luò)，PAHCT水凝膠展現(xiàn)出卓越的抗溶脹性能。在水環(huán)境中浸泡7天后，其平衡溶脹率僅為5.5%，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)水凝膠。成功實(shí)現(xiàn)了水下莫爾斯電碼通信：通過定義手指彎曲30°和90°分別對(duì)應(yīng)“點(diǎn)”和“劃”，利用實(shí)時(shí)電阻變化精準(zhǔn)傳輸了“SOS”及“help me”求救信號(hào)。并且可以作為應(yīng)變傳感器精準(zhǔn)捕獲微動(dòng)作與大關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。

圖四抗溶脹性能及水下傳感性能

圖五水下通信及水下運(yùn)動(dòng)監(jiān)測

  此項(xiàng)研究開發(fā)的PAHCT抗溶脹導(dǎo)電水凝膠，有效解決了傳統(tǒng)水凝膠在水下環(huán)境的關(guān)鍵限制，為開發(fā)穩(wěn)定、可靠的兩棲可穿戴傳感器，特別是水下救援通信裝備，提供了強(qiáng)有力的材料支撐和技術(shù)路徑。

  論文信息：

  UV-Cured Dense Double Network Hydrogel via Multiple Dynamic Crosslinking for Stable Amphibious Motion Sensing

  Ruizi Wu, Tianxue Zhu^*, Yimeng Ni, Che Wu, Wenyi Wang, Kunyang Zhao, Jianying Huang^*, Yuekun Lai^*, Adv. Funct. Mater. 2025, 35, e2515120.

  https://doi.org/10.1002/adfm.202515120