东华大学：强机械、高灵敏多重传感、纳米纤维

[科学研究摘要]

水凝胶显示出高导电性和机械强度从医疗保健到软机器人的各种应用中的巨大潜力。然而，这种材料的创造仍然是一个巨大的挑战。近日，东华大学张世超研究员/丁斌教授团队提出了一种原位合成开发具有强大机械和电子性能的仿生化学合成二氧化硅-纳米纤维增强水凝胶（SFRH）的策略。该策略是在分散良好的二氧化硅纳米纤维和乙烯基硅烷的存在下，从丙烯酰胺单体合成软水凝胶基质，从而产生具有创新界面化学键的均质 SFRH。

产生的 SFRH 性能优异的机械性能，包括1400%断裂应变下0.3 MPa的高机械强度、0.11 MPa的高杨氏模量（相当于人体皮肤）和1000次拉伸循环时无塑性变形的超弹性，同时保持高透光率（ ≥83%）。 同时，SFRHs表现出增强的离子电导率（3.93 S m-1），可以以高灵敏度（规格因子为2.67）和超耐用性监测各种刺激（拉动刺激） （子循环）拉伸、压缩和弯曲）。这项工作可能为各种用途的柔性和可拉伸水凝胶的设计和开发提供灵感。相关论文发表在“Advanced”上，标题为In Situ Synthesis of Mechanically Robust, Transparent Nanofiber-Reinforced Hydrogels for High Sensitive Multiple Sensing Functional Materials” .

[主要图片指南]

图 1 a) SFRH 示意图制备。b) 显示 SFRH (3 mm 厚) 透明度的光学图像。c) 描绘了 SFRH 网络以及二氧化硅纳米纤维与 PAM 链之间的物理和化学键。d) SFRH 的 XPS 测量光谱。e) SFRH用于 Si 2p 的高分辨率 XPS 光谱 f, g) SFRH 在不同放大倍数下的微观结构 h) SFRH 中单根纳米纤维的 FESEM-EDS 元素图显示了 Si、O、C 和 N 在同一区域。

图2 a) 不同L/d下p-SFRH的σ-ε曲线比率。 b) p-SFRH 和 c-SFRH 的 σ-ε 曲线，其中纳米纤维的 L/d 比在两种不同的水凝胶中固定在约 400。 c) 图为 c-SFRH 的拉伸过程。 d) SFRH 和其他开创性水凝胶的拉伸弹性模量随着水分含量的变化而变化。 e) c-SFRH 拉伸过程示意图。 f) p-SFRH5、p-SFRH10 和 c-SFRH10 的相互作用能。 g, h) 从水凝胶基质中提取的 L/d 比为 5 和 10 的两种不同二氧化硅纳米纤维的模拟快照。 i) 二氧化硅纳米纤维（L/d 比为 10）的模拟快照，具有来自水凝胶基质的界面化学键。在这三个模型中，水分子的颜色为红色，PAM链的颜色为蓝色，二氧化硅纳米纤维的颜色为绿色。 j) 从水凝胶基质中提取二氧化硅纳米纤维的相互作用能与时间之间的关系。

图 3 a) p-SFRHs 和 b) c-SFRHs 随着拉伸 ε 的增加，循环拉伸 σ-ε 曲线。 c) 循环拉伸试验中滞后面积的变化。 d) 多循环拉伸试验，其中 ε 为 100%。 e) 杨氏模量、最大应力和能量损失系数与拉伸循环之间的关系。 f) SFRH 在 20°C 时的储能模量、损耗模量、阻尼比和角频率之间的关系。 g) SFRH 的循环压缩 σ-ε 曲线。 h) 具有不同二氧化硅纳米纤维含量的 SFRH 的 EIS Nyquist 图。 i) SFRH 和其他先前报道的离子导电水凝胶的拉伸应力、应变、韧性、模量和电导率的比较。

图4 a) 基于SFRHs的传感器相对电阻变化与应变之间的关系。 b) 基于 SFRHs 的传感器在 100% 拉伸应变下进行 1000 次循环稳定性测试。 c) 压力变化时传感器的相对电阻变化和压力灵敏度。 d) 传感器在 6.37 kPa 压力下的循环稳定性测试次数。基于 SFRH 的传感器的相对电阻变化响应 e) 以不同角度弯曲的手指，f) 肘部的重复弯曲/伸展运动，以及 g) 人体静脉。 h) 签名传感示意图。相对阻力由不同的志愿者写成 i) 字母“C”和 j, k)“我们”。

[总结]

< strong>该团队通过原位合成策略制备了一种具有生物力学性能的化学合成纳米纤维增强水凝胶，其具有很强的机械和电子性能。在分散良好的二氧化硅纳米纤维和乙烯基硅烷的存在下，由 AM 单体合成软水凝胶基质，获得具有创新界面化学键的均质 SFRH。 由于柔性电纺二氧化硅纳米纤维和强界面的结合，所得透明 SFRH 在 1400% 应变下表现出 0.3 MPa 的高机械强度，在 0.11 MPa 时与人体皮肤相似，杨氏模量2.98 MJ m-3 具有高韧性和超弹性。此外，由于互连的二氧化硅纳米纤维具有带负电荷的表面羟基，SFRH 显示出高离子电导率 (3.93 S m-1)，并且可以检测范围广泛的应变 (0.5-1100%) 和压力 (1-28 kPa) ）。凭借强大的灵敏度（GF 2.67）和超强的耐用性（子周期），这使其成为一种很有前途的软传感器，用于检测各种身体动作、人体脉搏和笔迹。

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