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ACS AMI:基于可控疏水-亲水的导电水凝胶,用于可调式柔性压力传感器

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体积可控压力响应型水凝胶是一种具有3D网络结构和亲水性−疏水平衡的交联聚合物,具有吸水能力。通过控制水凝胶的疏水性,可以影响水凝胶的溶胀动力学、扩散速率、体积转变和松弛速率等不同因素。基质疏水性的变化影响凝胶的致密性、尺寸结构和密度,从而影响凝胶的静电相互作用和力学性能。因此,通过调节水凝胶的疏水性,可以根据它们对水的亲和力将它们用于不同的用途。通常,导电水凝胶含有导电填充物,如金属纳米颗粒、导电聚合物或碳基材料。作为导电填料的一部分,碳基材料,如碳点(CDs)和聚合物点,由于其低毒、易官能化和良好的水溶性,使其成为导电材料和水凝胶制造的有力候选者,特别是在生物领域的应用。

韩国国立交通大学Sung Young Park教授团队设计了一种疏水性碳点纳米颗粒(f-CD),将其与聚乙烯醇和邻苯二酚偶联壳聚糖混合,得到了一种适合于压力和振动传感器应用的水凝胶。负载f-CD的疏水性对其力学性能和电信号采集起着重要作用。它还会影响不同的流变可逆性和形状恢复率,从而影响体积转变。这些特性受所制备的水凝胶的致密性、尺寸结构和密度的影响。结果表明,具有高疏水性的水凝胶具有刚性结构(剪切模量为8123.1 N·m−2),而亲水性水凝胶的剪切模量为6065.7~7739.2 N·m−2。此外,当以不同的力压缩时,对机械地依赖于体积转变的水凝胶的电阻率变化(最高可达17.3±1.3%)和电容变化(最高可达145%)均有影响。这种具有可控疏水-亲水内部结构的水凝胶显示出独特的敏感性,在可穿戴电子皮肤、实时临床保健监测和人类−计算机交互方面具有巨大的应用潜力。


图1(a)CD合成和水凝胶制备示意图;(b)水凝胶在10N重量下压缩的压敏原理和照片;(c)水凝胶A、B和C在加载/卸载循环过程中的压缩应力−应变曲线;(d)制备的水凝胶(a、b和c)的典型应力−应变曲线;(e)水凝胶A、B和C的水凝胶粘附性和最大剥离力曲线图;



图2(a)水凝胶在不同剪切应变(0.1-100%)下的流变性;(b)使用扭转测试进行定性恢复时间分析



图3(a)不同f-CD比例(1:8:2)的水凝胶[PVA/C-壳聚糖/f-CD(10:1:X)]的相对电阻;(b)合成不同f-Si比例的f-CD的水凝胶[PVA/C-壳聚糖/f-CD(10:1:3)]的相对阻力[PGC/TEOS/f-Si(1:8:X)];(c)水凝胶A、B、C对压力的响应特性;(d)重复压力加载/卸载过程中的水凝胶A、B和C响应



图4(a)电容式压力传感器原理图设计;(a-1)在不同压力下加载期间的相对电容变化;(b)电容式可逆性评估图解;(b-1)水凝胶在不同压力(10、20和40 kPa)加载和自动释放过程中的电容可逆性



图5(a)使用预制水凝胶进行笔迹分析的图解;(b)在I、V和O笔迹分析过程中的相对阻力响应;(c)在水凝胶B表面书写时K-N-U-T电阻信号;(d)使用不同PVA/C-壳聚/f-CD水凝胶的声带振动示意图;(e)分析一个八度音域内的声带阻力;(f)在说“哈”时新型水凝胶的电阻响应;(g)连接智能手机期间水凝胶B的无线通信


以上研究以“Tunable Pressure Sensor of f-Carbon Dot-Based Conductive Hydrogel with Electrical, Mechanical, and Shape Recovery for Monitoring Human Motion”为题,发表在ACS Applied Materials & InterfacesDOI: 10.1021/acsami.0c16745)上。第一作者为韩国国立交通大学的Benny Ryplida,通讯作者为韩国国立交通大学Sung Young Park教授。


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