柔性电子技术曾被《科学》杂志评为世界十大科技进展之一。近年来，柔性电子材料的研究发展推动了电子/离子皮肤、可穿戴设备以及可植入电子等领域的兴起。这些具有良好力学柔性和生物相容性的电子产品，在人体健康监测和生物医疗领域发挥着越来越重要的作用。其中，水凝胶作为一类与人体组织弹性相近的工程材料，可以搭建起“人-机”界面交互的桥梁，用于监测人体生理信息，实现精确的行为感知，受到了国内外学术界的广泛研究。目前常见的技术手段是，通过在凝胶体系中引入导电填料（如：石墨烯、碳纳米管、MXene和金属纳米颗粒/纳米线等）来赋予导电性，但是这些填料在凝胶中易发生聚集效应，而且与柔性基质之间的相容性也较差，从而导致有限的电学性质（如：低电导率等）和非线性传感特征（分段响应）。不仅如此，导电纳米碳材料或金属纳米材料自身昂贵的价格以及固有的不透明外观，也常常会限制其在实际应用中的大规模制备。因此，科研人员又将研究目光投向了结构相容性更高、制造成本更低的离子凝胶，其主要通过在柔性聚合物基质（如：聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酸（PAA）或聚丙烯酰胺（PAAm）等）中添加电解质（如：聚离子液体、金属盐等）溶液来进行材料构建。但是，长期以来，人们将研究重点过多的着眼于离子凝胶机械性能（尤其是机械强度）的提升，却忽视了凝胶自身界面结构的功能化设计，缺少对实际应用过程的全方位考量。传统离子凝胶往往存在与人体皮肤机械匹配性差（弹性模量过高）、粘附性能缺失以及功能性单一的问题，这也将极大地影响到离子凝胶在智能传感皮肤领域的应用。此外，现有制备的离子凝胶虽然保留了优异的外观透明性，但是考虑到实际应用过程的复杂性（如：强紫外环境下等），这些凝胶的功能性仍需进一步提升。基于以上背景，构建同时兼具良好皮肤适配性、高导电、自粘附以及抗紫外特性等多功能集成的离子凝胶及传感设备仍具挑战。
近日，我院陈港教授团队在国际知名期刊Chemistry of Materials（影响因子：9.811）上发表题为“Multifunctional Organohydrogel-Based Ionic Skin for Capacitance and Temperature Sensing toward Intelligent Skin-like Devices”的文章。该文章以聚丙烯酰胺（PAAm）网络为弹性骨架、纳米纤维素（CNF）作为支撑骨架，电解质水溶液作为导电载体，同时引入单宁酸（TA）对凝胶界面进行功能化修饰，通过简单、高效的一步紫外引发制备工艺，构建出一种兼具超拉伸性、高离子导电性、低杨氏模量、优异抗紫外能力及自粘附特性的离子凝胶皮肤，可用于组装智能仿生皮肤类设备（如：电容和温度传感器），不仅可以感知压力、拉力等物理刺激，还可以用于感觉外界温度变化，对于仿生皮肤的实际应用具有巨大潜力。
【本文要点】
要点一：独特的互穿网络结构设计，调控机械及导电性能
设计构建了一种独特的互穿网络和键合结构，以PAAm共价交联网络作为弹性骨架，CNF作为支撑骨架，NaCl作为电解质，通过调节丙烯酰胺和纳米纤维素在水凝胶中的比例，可精确调控离子凝胶的机械性能和弹性模量；同时，纳米纤维素可拓宽凝胶中的3D孔道结构，为导电离子提供更多的传输位点，有效提升凝胶的导电性能。
要点二：基于贻贝化学的凝胶界面修饰策略
受贻贝足蛋白粘附特性的启发，在离子凝胶杂化网络中引入大量的儿茶酚基团，对离子凝胶的表面进行了儿茶酚功能化修饰，可以提供动态、持久的界面粘附特性。同时，单宁酸独特的结构可以衍生出丰富的儿茶酚-醌类可逆互变异构和π-电子共轭效应，从而赋予了离子凝胶可调的紫外线屏蔽性能。
要点三：多用途、多模态的传感应用集成
得益于卓越的机械响应和热感知能力，离子凝胶可以组装制备高灵敏和线性响应的电容传感器，用于监测细微应变和复杂的人体运动信号；也可以作为类皮肤状热敏电阻，实现不同温度的动态感知。多种理想功能的集成和简单的制备工艺，有望对下一代智能离子皮肤产品的开发提供新思路。
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图1多功能离子凝胶皮肤的设计策略 （a）PAAM-CNF互穿网络结构和填充的水性电解质；（b）电解质的解离和水合过程示意图；（c）PAAM-CNF杂化骨架与电解质之间的相互作用示意图；（d）儿茶酚-醌类基团的动态可逆转换过程示意图；（e）自粘附界面和紫外线阻隔性能示意图。
【文章链接】
Yuan Wei, et al., Multifunctional Organohydrogel-Based Ionic Skin for Capacitance and Temperature Sensing toward Intelligent Skin-like Devices, Chemistry of Materials, 2021.
DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c01904
https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c01904
本文第一作者是华南理工大学博士研究生魏渊，共同一作为轻工学院18级本科生相立静；通讯作者为华南理工大学轻工学院陈港教授，华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室为唯一通讯单位。
文章来源：华南理工大学
陈港，男，博士，教授，博士生导师，现任华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室常务副主任，华南理工大学特种纸研究团队负责人，国家级教学团队首席教授，教育部高等学校轻工类专业教学指导委员会委员，中国造纸学会涂布加工纸专业委员会副主任，中国智能包装产业技术创新战略联盟专家组成员，广东省造纸学会副理事长兼秘书长，担任《中国造纸》、《中国造纸学报》《造纸科学与技术》编委以及多家行业龙头企业技术顾问。曾任华南理工大学造纸与环境工程学院、资源科学与造纸工程学院、轻工与食品学院副院长。获南粤优秀教师、广东省五四青年奖章、中国造纸青年科技奖，广东省科技进步奖三等奖、广东省教学成果一、二等奖，入选教育部新世纪优秀人才。主要研究领域造纸新技术与特种纸，包括特种纸新技术、纸基功能材料、纸张涂布技术与理论、多种纤维混合成型机理、纳米纤维素制备及应用、造纸化学品的优化及应用、纸张防伪技术、功能材料在造纸过程的应用等，先后主持和参加国家自然科学基金、国家“973”计划、广东省自然科学基金、广东省高新技术成果孵化项目、粤港重点领域重大突破招标项目、广东省产学研项目、广东省科技攻关等80多项纵向项目和横向项目。近年来发表论文100多篇，其中三大索引收录的论文40篇，编写专著1本。有5项成果通过技术鉴定，拥有8项发明专利，申请发明专利4项。一直以来非常重视产学研合作和成果产业化，目前与多家行业龙头企业建立战略合作联盟，其中特种合成纸、烟草薄片、数码相纸、数码喷墨纸、热/水转印纸、超感纸、热敏纸、耐水洗高强纸、超平滑/高光泽纸张、纸皮纸、无石棉密封材料、食品包装纸、无纺墙纸等技术成功产业化。
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发表于 2021-11-13 07:00:00
