天津大学李俊杰教授和姚芳莲教授团队：基于水凝胶的柔性传感器

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近日，天津大学化工学院李俊杰教授，姚芳莲教授团队在水凝胶基应变压力传感器方面取得了系列性研究进展。

柔性可穿戴器件由于其在能量储存材料，电子皮肤以及传感器方面的应用受到了研究者们的广泛关注。其中，应变压力传感器可以像皮肤一样将外界刺激比如压力，应变，温度等转换为电信号，因此在次世代电子皮肤中有着巨大的潜在应用。然而，传统复合物基传感器受到低检测范围，复杂的制备工艺，以及与人体的低相容性的限制，难以满足实际应用的需求。而水凝胶由于其宽检测范围，良好的相容性，灵敏度以及导电性成为了压力应变传感器的优异候选并得到了广泛的研究，极大了解决了传统复合物传感器所面临的一些困难。为了提高水凝胶传感器的灵敏性和可使用的环境范围，李俊杰教授，姚芳莲教授团队开展了系列研究工作：

(1) 高强度水凝胶基应力应变传感器：利用纳米复合策略，将疏水的碳纳米管通过明胶或表面活性剂（SDS）分散在亲水的水凝胶网络中，从而形成纳米复合水凝胶。碳纳米管作为物理交联剂结合水凝胶网络极大地增强了水凝胶的机械性能（包括拉伸行为、抗疲劳性和自恢复性能），并且赋予水凝胶优异的导电性和应变传感性。利用这些优点，成功制备了可以检测包括关节运动，发声等一系列的人体运动的应变以及压力传感器，证实了水凝胶在可穿戴设备领域的巨大潜力。研究成果发表在Chemical Engineering Journal（2020， 382，122832）和ACS Appl. Mater. Interfaces （2020, 12, 4944−4953）上，第一作者分别为天津大学化工学院硕士研究生孙侠和博士研究生秦志辉。

图1.聚丙烯酰胺-氧化碳纳米管纳米复合高强度水凝胶传感器

（2）环境适应性水凝胶传感器：由于水凝胶在长期使用，特别是在干燥环境中容易失水，在低温条件下容易结冰，使其应用范围受到了很大的限制。该课题组通过简单的溶剂置换方法，分别制备了明胶-甘油/柠檬酸钠离子导电抗冻有机水凝胶（ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11: 21184-21193; J. Mater. Chem. A, 2020,8, 4447-4456）和黄原胶-铁离子/聚丙烯酰胺-甘油离子导电抗冻有机水凝胶（Chemical Engineering Journal, 2021, 404: 126559）。极大地提高了水凝胶的保湿和抗冻性能，使能在常温长期保持良好的柔性特征，而且在低温（< -30 ℃）仍然很好的拉伸性能和导电性。可为水凝胶基可穿戴电子传感器在低温或干旱环境的使用提供条件。天津大学化工学院博士研究生于庆雨和秦志辉分别为该系列论文的第一作者。

图2. 明胶基可回收抗冻导电水凝胶传感器

基于上述研究工作，发表了题为Nanocomposite hydrogel-based strain and pressure sensors: a review的综述，主要介绍了最近几年纳米复合水凝胶基传感器的研究进展。该综述全面总结了纳米复合水凝胶基应变压力传感器设计过程中所遇到的一些问题与挑战，并根据纳米粒子特性将纳米复合水凝胶分为：碳纳米管基，氧化石墨烯基，MXene基，聚合物纳米粒基，以及其他纳米粒子基五个类型。同时，总结了纳米复合水凝胶导电与传感的机理，以及不同类型纳米复合水凝胶的优缺点。最后总结了纳米复合水凝胶基应变压力传感器在不同领域的应用以及未来设计中所亟待解决的问题。该综述论文发表在Journal of Materials Chemistry A上。天津大学化工学院硕士孙侠为该论文第一作者，天津大学化工学院李俊杰教授，姚芳莲教授为以上论文的通讯作者。

图3. 纳米复合水凝胶基应变压力传感器的分类及其应用

该工作得到了国家自然科学基金及国家重点研发计划的支持。

全文链接：

https://doi.org/10.1039/D0TA06965E

https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.122832

https://dx.doi.org/10.1021/acsami.9b21659

https://dx.doi.org/10.1021/acsami.9b05652

https://doi.org/10.1039/c9ta13196e

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126559

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