东华大学俞建勇院士、丁彬研究员团队《Adv. Funct. Mater.》：在陶瓷纳米纤维增强离子导电水凝胶方面取得新进展

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离子导电水凝胶由聚合物网络与电解质盐溶液组成，其具有高导电性、刺激响应性、生物相容性等特点，在可穿戴设备、健康监测、人机界面等领域具有巨大的应用潜力。目前，研究者们制备了多种具有高离子电导率的水凝胶材料，并探索了它们的应用，但这些水凝胶通常缺乏有效的能量耗散网络，导致力学强度较低，难以满足实际应用的力学要求。因此，如何制备兼具高离子电导性与优异力学性能的水凝胶材料是目前亟需解决的难题。

生物纤维组织（皮肤、肌肉、韧带等）具有良好的力学性能与刺激响应性，其力学性能可归因于柔软基质中嵌入的韧性纤维（如胶原纤维）以及纤维与软基质之间的化学相互作用。受生物纤维组织结构的启发，东华大学纺织科技创新中心俞建勇院士及丁彬研究员带领的纳米纤维研究团队以柔韧二氧化硅纳米纤维作为离子导电水凝胶的增强组分，同时引入乙烯基硅烷，通过水解缩合-自由基聚合方法在纳米纤维与水凝胶网络间原位化学交联，获得了兼具高拉伸模量与高离子电导率的水凝胶材料。该透明纳米纤维增强水凝胶的拉伸强度为0.3MPa（断裂应变为1400%），拉伸弹性模量为0.11MPa（与人类皮肤模量相当），1000次拉伸（100%应变）循环无塑性变形。

图1. a）纳米纤维增强水凝胶的制备示意图，b）纳米纤维增强水凝胶的光学图像，c）二氧化硅纳米纤维和PAM链之间的物理/化学作用示意图，d）水凝胶的XPS光谱，e）Si元素的高分辨XPS光谱，f、g）不同放大倍数下水凝胶的SEM图，h）EDS图谱。

所制备的纳米纤维增强水凝胶材料具有高离子电导率（3.93 S m^-1），可检测宽范围拉伸应变（0.5-1100%）和压缩应力（1-28kPa），同时具有较高灵敏度（GF=2.67）和循环稳定性（10000次压缩传感信号强度几乎不变），可高灵敏度检测人体运动及脉搏跳动。此外，纳米纤维增强水凝胶传感器可有效检测复杂且微小的外界刺激，如书写字迹，在字迹防伪领域具有潜在应用价值。该复合水凝胶的设计思路和简易的制备过程为开发新一代可拉伸的强韧离子导电水凝胶材料提供了新思路。

图2. a）水凝胶传感器的相对电阻变化与应变的关系曲线，b）水凝胶传感器在100%拉伸应变下1000次循环稳定性，c）传感器在不同压力下的相对电阻变化和压力灵敏度，d）传感器在6.37kPa压力下10000次循环稳定性，水凝胶传感器检测e）手指不同角度弯曲、f）肘部重复弯曲运动和g）人体脉搏，h）字迹感应示意图，i）书写字母“C”和j，k）不同的志愿者书写“we”的相对电阻变化。

以上相关研究成果以“In Situ Synthesis of Mechanically Robust, Transparent Nanofiber-Reinforced Hydrogels for Highly Sensitive Multiple Sensing”为题发表于Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202103117)，该论文第一作者为东华大学纺织学院博士生卢绪燕，共同通讯作者为丁彬研究员和张世超研究员。该项研究得到了国家自然科学基金、上海市教育委员会、中央高校基础研究项目的大力资助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202103117

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