天津大学封伟教授团队 Small：碳点水凝胶实现高性能触觉传感器和自供能电子皮肤

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万物互联的物联网时代已经到来，各种分布式传感器、可穿戴设备愈加普及。导电水凝胶在过去几十年里受到了科研人员的广泛关注，其中具有高机械强度和高导电性的可拉伸水凝胶非常适合应用于软机器人、人造皮肤和生物电子等领域。但由于长期稳定的电能供给问题成为制约产业发展的关键瓶颈，这种水凝胶柔性电子的制备仍然具有较大的挑战性。基于摩擦带电和静电感应耦合的摩擦电纳米发电机(TENG)是一种能将周围环境中的机械能转化为电能的能源技术。由于其能量转换效率高、成本低、可使用多种材料，TENG已被广泛应用于各个领域，如可穿戴电子设备、物联网、环境传感器、微型传感器和和基于皮肤的医疗之中。因此，兼具柔性触觉传感性能的下一代TENG具有巨大的应用前景。

近日，由天津大学封伟教授团队提出了一种碳量子点修饰的化学交联的聚丙烯酰胺和硅酸镁锂制备高度可拉伸水凝胶。其中，硅酸镁锂提供丰富的共价键提高了水凝胶的机械性能。水凝胶基应变传感器展示出优异的灵敏度（响应因子2.6），超大的应变响应范围（0-2000%），良好的循环性和耐久性（1250）。碳点所赋予的发光特性进一步拓宽了水凝胶在实现柔性电子方面的应用。此外该水凝胶还可以作为柔性自供能摩擦电电极，可以有效地检测1-25 N的压力，提供2.6 μA的短路电流(I_SC)，115 V的开路电压(V_OC)和29 nC的短路转移电荷(Q_SC)。研究结果为新型的人机交互和机器人电子皮肤提供了一种新的策略。

图1 a) 水凝胶制备示意图。b,c) PAM和PQL水凝胶的SEM图像。d-i) PQL水凝胶的能谱及其主要元素分布。

图2 a) 不同LMS含量PQL水凝胶的应力-应变曲线。b) 不同LMS含量PQL水凝胶的弹性模量、断裂强度和断裂伸长率。c) 100%应变下的典型100循环应力应变曲线。d) 100%应变循环100次最大应变时的应力变化统计。e) PQL水凝胶与不同材料的粘附强度。f) PQL水凝胶的流变性能。

图3 PQL水凝胶的应变传感性能。a)相应范围内的应力应变曲线和电阻变化曲线。b) PQL水凝胶在0%、2%、4%、8%、16%小应变范围下的升压和恢复响应曲线。c) PQL水凝胶在5%、25%、50%、75%、100%应变5个循环后的电阻变化曲线。d) PQL水凝胶在100%、500%、1000%、1500%菌株下的双循环曲线。e) PQL水凝胶在1000%应变下30个循环的稳定性。f) PQL水凝胶在50%应变下的多循环响应曲线。

图4 PQL水凝胶的光致发光特性及检测人体关节运动的能力:a) 碳点的透射电镜;b) 碳点粒径分布;c) 碳点和PQL水凝胶前驱体的荧光发射光谱;d) 五指运动检测;e) 单个手指弯曲成不同的角度。

图5 a-e) 基于STENG的E-skin工作原理示意图。f) 基于STENG的E-skin电位模拟分布。

图6基于STENG的E-Skin的电输出(2 × 2 cm²)。a) 电子皮肤在不同压力下(频率固定为2hz)的V_OC值。b) 装置通过分配施加的压力来工作。c) V_OC与压力的关系。d) 不同压力下E-skin的QSC。e) 电子皮肤在不同频率下的Isc。f)照亮皮肤的led接线图。g)超过7000循环(20 N, 5 Hz)的长期稳定性。

图7 PQL水凝胶基STENG的应用。a)不同强度手指按压电压的变化。b-d) PQL水凝胶基质照片和模型图。e-h) PQL水凝胶基质对不同手指轨迹的响应。

该研究的意义在于利用碳量子点的发光性能及导电水凝胶在柔性电子中展现出的多功能感知功能。这种可控结构水凝胶的设计及应用为柔性多功能仿生皮肤的研究提供了新视角。

论文的第一作者为天津大学材料学院博士研究生于云飞，通讯作者为天津大学封伟教授。

论文信息：

Carbon dots-based ultrastretchable and conductive hydrogels for high-performance tactile sensors and self-powered electronic skin

Yunfei Yu, Yiyu Feng, Feng Liu, Hui Wang, Huitao Yu, Kun Dai, Guoqiang Zheng, Wei Feng*

Small

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202204365

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