安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院青年教師張曉勇，針對(duì)常規(guī)水凝膠機(jī)械性能表現(xiàn)單一，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景多種應(yīng)用的問(wèn)題，制備出一種具有抗凍防干、表面粘附力強(qiáng)、力學(xué)性能原位可調(diào)的功能水凝膠材料，并將這種材料組裝成柔性應(yīng)變傳感器，根據(jù)特定的機(jī)械性能要求可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)。相關(guān)研究成果日前發(fā)表于《ACS應(yīng)用材料與界面》雜志。
水凝膠柔性傳感器靈感來(lái)源和設(shè)計(jì)策略示意圖。安徽理工大學(xué)供圖
導(dǎo)電性水凝膠在電子皮膚和柔性可穿戴傳感器領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。然而，常規(guī)水凝膠的機(jī)械性能表現(xiàn)單一，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景的多種應(yīng)用，導(dǎo)致一種水凝膠往往只能適用于某一種特定的使用環(huán)境。因此發(fā)展一類機(jī)械性能原位可調(diào)的水凝膠，以滿足其在不同環(huán)境下的應(yīng)用，仍是一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
“水凝膠的機(jī)械性能在很大程度上取決于分子鏈間相互作用力與交聯(lián)密度之間的關(guān)系，因此可以通過(guò)調(diào)控其網(wǎng)絡(luò)密度的策略實(shí)現(xiàn)其機(jī)械性能的原位調(diào)節(jié)，基于鋯離子和羧基在室溫下可以形成金屬配位特征，鋯離子可以作為‘ 分子鏈開關(guān)’來(lái)實(shí)現(xiàn)水凝膠的網(wǎng)絡(luò)密度調(diào)控，根據(jù)以上思路可以為本項(xiàng)目提供理論指導(dǎo)。”張曉勇向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者圍繞水凝膠展開大量相關(guān)研究，且在可穿戴技術(shù)和個(gè)性化的醫(yī)療監(jiān)測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。但由于水凝膠中含有大量的水，同時(shí)在零下溫度不可避免地會(huì)凍結(jié)，高溫條件下易脫水，導(dǎo)致使用壽命短，因此如何實(shí)現(xiàn)水凝膠機(jī)械性能的原位調(diào)節(jié)和環(huán)境耐受性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
此次研究中，張曉勇等提出了將3,4 -二羥基苯基-l-丙氨酸（L-Dopa）接枝聚丙烯酸和鋯離子引入水凝膠中，通過(guò)控制配位效應(yīng)調(diào)節(jié)離子在聚合物鏈上的原位聚集狀態(tài)，從而原位改變水凝膠的機(jī)械性能。L-Dopa的兒茶酚基團(tuán)賦予水凝膠對(duì)皮膚和設(shè)備界面(包括潮濕和干燥環(huán)境)的高粘附性。
“我們研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)加入與水分子結(jié)合能力更強(qiáng)的功能材料葡萄糖，可以限制水的蒸發(fā)和在低溫條件下的結(jié)晶性能，在零下35攝氏度至零下65攝氏度的寬溫度范圍內(nèi)所制水凝膠展現(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性，持續(xù)時(shí)間高達(dá)60天。”張曉勇說(shuō)。
進(jìn)一步，研究人員將這種功能水凝膠組裝成一種柔性的應(yīng)變傳感器，它能夠根據(jù)具體的機(jī)械性能需求來(lái)監(jiān)測(cè)人體的行為動(dòng)作。張曉勇說(shuō)，“這一特性為未來(lái)的可穿戴技術(shù)和個(gè)性化的醫(yī)療監(jiān)測(cè)領(lǐng)域帶來(lái)了新的可能性。”
審稿人認(rèn)為：作者將生物靈感和智能材料相結(jié)合，開發(fā)制備了性能優(yōu)異的多功能柔性水凝膠材料，有效解決了傳統(tǒng)水凝膠保水性和抗冷凍性差，機(jī)械性能單一和粘接性差的問(wèn)題，這是一項(xiàng)有趣且有價(jià)值的研究工作，為新一代具有更廣泛應(yīng)用范圍的可穿戴設(shè)備提供新了創(chuàng)新思路。
