導電水凝膠由于與生物組織相似、耐磨性好、信息采集精度高，已成為多功能應變傳感器的候選材料。然而，由于缺乏交聯(lián)結(jié)構(gòu)與性能之間結(jié)合機制的研究，制備兼具高靈敏度、顯著機械性能、優(yōu)異的傳感穩(wěn)定性、快速響應和低檢測限的水凝膠傳感器一直面臨重大挑戰(zhàn)。此外，由于傳統(tǒng)應變傳感器在自然條件下的不可降解性和不完全可回收性，電子廢棄物逐漸增多。因此，迫切需要開發(fā)具有優(yōu)異機械強度、顯著自愈能力、環(huán)境可降解和可回收性的導電水凝膠應變傳感器來檢測微量形變。

　　華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室陳克復院士團隊報告了一種簡單的策略，通過分子水平的多重動態(tài)交聯(lián)作用（MMDI）設計了一種自修復、可回收和導電的水凝膠基應變傳感器，獲得的明膠/DATNFC/Fe3+水凝膠（GDIH）與純明膠水凝膠相比，拉伸強度和抗壓強度顯著增加，且有著優(yōu)異的壓縮應力（1310 kPa）、自愈能力和導電性。該水凝膠被開發(fā)為多功能應變傳感器，具有高應變靈敏度和壓縮靈敏度，可用于制造電子皮膚并準確識別檢測微小變形引起的電生理信號，具有傳感穩(wěn)定性和快速壓縮響應時間（200 ms）。

　　MMDI水凝膠是通過溶膠-凝膠反應和離子浸入法制備的，無需復雜的分子設計和化學反應，主要由明膠、改性修飾納米纖維素（DATNFC）和Fe3+組成多重動態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡，能夠可逆地斷裂和重建，提供了凝膠優(yōu)異的機械性能和優(yōu)異的自愈能力。與純明膠相比，拉伸強度和壓縮強度分別提高了990.7%和3822.7%。

圖1：水凝膠的合成示意圖

圖2：GDIH水凝膠的機械性能

　　水凝膠被用作導體來構(gòu)建導電電路，LED燈泡在不同的壓力下顯示出不同的亮度，對不同應變具有良好的敏感性和穩(wěn)定性。歸因于離子的遷移，增加的相對電阻變化與拉伸應變成正呈現(xiàn)線性增加。當水凝膠被拉伸時，導電路徑的長度變長，導電網(wǎng)絡變得松散。離子傳輸受到限制，導致體電阻增加。由于這種良好的線性關系，校準過程可以簡化，從而提高信號精度，確保了檢測人體運動、電生理信號和微量形變的可靠性。

圖3：GDIH水凝膠的電化學性能

圖4：筆跡識別和壓力感應表征

　　綜上所述，該研究通過溶膠-凝膠法和離子滲透法兩步工藝制備了一種新型納米復合水凝膠基傳感器，表現(xiàn)出顯著的機械性能、優(yōu)異的靈敏度、傳感穩(wěn)定性、自愈性和可回收性，為解決機械強度和傳感之間長期存在的困境提供了可行的方案。所開發(fā)的應變傳感器是一種良好的電子設備，具有大規(guī)模生產(chǎn)的潛在商業(yè)化潛力，可廣泛應用于醫(yī)療監(jiān)測、軟機器人和人工智能設備的開發(fā)。

　　上述研究以“A Self-healing, Recyclable and Conductive Gelatin/Nanofibrillated Cellulose/Fe3+ Hydrogels Based on Multi-Dynamic Interactions for Multifunctional Strain Sensors”為題發(fā)表在《Materials Horizons》上，第一作者為付浩成博士，通訊作者為該團隊的王斌副研究員、李金鵬博士與徐峻教授級高級工程師，該工作得到了國家自然科學基金和“博新計劃”等項目的支持。

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　　https://doi.org/10.1039/D2MH00028H