AFM：MXene有机水凝胶用于柔性可自愈耐低温应变传感器

【研究背景】

柔性、可穿戴式应变传感器因其在电子皮肤、个性化医疗监控、人机交互等方面的大量应用而受到广泛关注。同时，导电水凝胶因其优异的电子性能、可调的机械性能和显著的生物特性，作为柔性可穿戴应变传感器的新兴材料被广泛研究。然而，使用纯水作为分散介质的传导性水凝胶不可避免地会在零度以下结冰，从而限制了离子的传输。因此，这种水凝胶不能保持导电性或机械性能，这严重限制了它们在低温下的实际应用。即使在室温下，这些水凝胶也会因为蒸发而不可避免地损失水分，这就妨碍了长期的稳定性和耐久性。因此，开发具有可靠的防冻性能、持久的保湿性能和长期稳定性的导电水凝胶柔性应变传感器是非常必要的。

近年来，通过在水凝胶中加入有机试剂如EG、甘油等制备了多种防冻、不干燥的有机水凝胶。然而，有机水凝胶的导电性由于含水量的降低而降低，这限制了它们在柔性、可穿戴的软应变传感器领域的潜在应用。为了获得更好的导电性，将导电填料(如碳纳米管、石墨烯、导电聚合物)集成到弹性水凝胶基质中，制成了具有代表性的导电水凝胶传感器。

【成果简介】

2019年，北京化工大学万鹏博教授和德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授在国际知名学术期刊Advanced Functional Materials上发表一篇题目为：Conductive MXene Nanocomposite Organohydrogel for Flexible, Healable, Low-Temperature Tolerant Strain Sensors的研究论文，报告了一种柔性可穿戴应变传感器的制作，该传感器具有防冻、持久保湿、自愈能力、优越的机械性能和基于应变敏感的MNOH的传感性能，该MNOH是通过简单的溶剂置换法从MNH中获得的。采用聚丙烯酰胺(PAAm)和聚乙烯醇(PVA)组成的水凝胶聚合物网络，在导电MXene纳米片网络的共形涂层上制备了MNH。所制得的MNOH在极端温度（-40℃）下显示出很强的抗冻能力，并具有持久的水分保持（8 d）。此外，得益于PVA羟基与四羟基硼酸根离子之间的动态交联以及EG，PVA和MXene之间的超分子相互作用，MNOH具有出色的自修复能力。此外，MNOH还可以组装成可穿戴式防冻自愈应变传感器，在极低温度(-40℃)下实时检测人类活动，具有应变范围宽(最大可达350%应变)、传感灵敏度高(GF =44.85)等优点。此设计显示了在极低温下用于人造皮肤，软机器人和人机界面的巨大潜在应用。

【图文导读】

图1.导电、防冻、自愈MNOH的制造原理图及SEM表征。

图2. MNOH的耐低温性能。

图3. MNOH的持久保湿性能。

图4.MNOH的自愈性能。

图5.MNOH的应变性能。

【本文总结】

本文演示了用MNOH组装的防冻，不干燥和自修复应变传感器的制造，其中MNOH是通过简单的溶剂置换由MNH制备的。通过将导电MXene网络合并到水凝胶聚合物网络中来获得MNH。通过将MNH浸入EG溶液中以置换部分水分子的溶剂，可以简单地获得MNOH。在水分子和EG分子之间形成的大量氢键阻止了冰晶格的形成，同时也阻碍了水的蒸发。因此，MNOH在低温（-40℃）下保持不冻结和柔韧性，并表现出稳定的持久保湿性（8 d）。此外，PVA和四羟基硼酸根离子之间的动态交联以及EG，PVA和MXene之间的超分子相互作用为MNOH赋予了自愈能力。此外，利用MNOH制作了一种可穿戴式应变传感器，可对人体活动进行无线监测，灵敏度显著(GF = 44.85)，应变范围宽(最大可达350%)。这项研究为组装可穿戴电子传感器提供了一种防冻，自修复和不干燥的有机水凝胶的新颖策略，该可穿戴电子传感器具有可靠的防冻性能，稳定的持久水分和自修复能力，可广泛应用于电子皮肤，人机交互，和个性化的健康监控。

文献链接：

https://dx.doi.org/10.1002/adfm.201904507.

信息来源： MXene Frontier