天津大学封伟教授团队：液态金属实现凝胶基仿生皮肤的多功能集成

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智能仿生皮肤因其巨大的应用潜力而引起了人们的广泛关注，近年来，以离子和电子作为信号传输载体的各种仿生皮肤发展非常迅速。尤其是以水凝胶为基体的柔性导电材料更为人们青睐，但是基于凝胶态的仿生皮肤一直存在综合性能不高和感知功能不足的问题。

图1 仿生多孔结构水凝胶制备的机理图

鉴于此，天津大学封伟教授团队从海绵生物的结构获得灵感，提出设计了一种仿生多孔结构的导电水凝胶。这种水凝胶的制备主要源于镓基液态金属的化学活性。如图1所示，以丙烯酸作为反应单体，镓基液态金属一方面能够催化过硫酸铵产生自由基诱导丙烯酸的聚合，同时在丙烯酸电离出的氢离子作用下，也能催化氧化石墨烯还原，进而构成电子导电网络；此外，镓与氢离子还能反应产生氢气和镓离子，产生的镓离子又能与聚丙烯酸络合成超分子水凝胶网络，进而将氢气泡束缚在水凝胶内部，最终形成多孔结构的水凝胶。这种多孔水凝胶展现出可调节的孔结构，适宜的机械性能和优秀的自修复性能，在用作柔性传感器时，对多重刺激均能实现高感知，如对应力应变的高灵敏度、对温度变化、溶剂改变的显著响应，特别是源自水凝胶独特的可控闭孔结构实现了对真空（大气负压）的响应。

图2 多孔水凝胶的制备及基本性能表征

（a）多孔水凝胶的制备示意图；（b，c）拉曼光谱验证水凝胶中GO的还原,及嵌入在水凝胶内部的导电Ga/GO杂化填料；（d）光学显微镜展示不同组分水凝胶样品的多孔结构；（e）不同LM含量和反应温度对水凝胶孔隙率的影响；（f, g）部分水凝胶样品的拉伸和压缩性能。

图3 多孔水凝胶的自修复性能

（a）自修复样品的拉伸弯曲展示；（b）光学显微镜观察裂缝的修复情况；（c）不同修复时间下样品的拉伸性能；（d）样品用于电路中的修复展示；（e）机械性能和电性能的自修复效率；（g）自修复机理。

图4 多孔水凝胶用作应力应变传感器

（a, b）水凝胶对拉伸应变的电阻响应；（c）不同模式（电容式、电阻式）下的压力敏感性；（d）不同温度制备的水凝胶用作电容式压力传感器时的应力响应。

图5 多孔水凝胶的其它刺激响应

（a, b）水凝胶样品对大气负压的电学响应；（c, d）水凝胶样品对溶剂变化的电学响应；（e, f）水凝胶样品对温度变化的电学响应

该研究的意义在于利用液态金属的化学活性构筑了兼具自修复功能的多孔水凝胶，在其应用于柔性电子中时展现出多重感知功能。这种可控孔结构水凝胶的设计及应用为柔性仿生皮肤的研究提供了新视角。 

近日相关研究工作以“Liquid metal-created macroporous composite hydrogels with self-healing ability and multiple sensations as artificial flexible sensors” 为题在线发表在Journal of Materials Chemistry A上（DOI: 10.1039/d0ta09730f），并被邀请作为背封面。论文的第一作者为天津大学材料学院博士研究生张志兴，通讯作者为天津大学材料学院封伟教授。

该工作得到国家自然科学基金重点项目（No. 51633007）等项目的资助。

全文链接：

https://doi.org/10.1039/D0TA09730F

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