成果简介
导电水凝胶（CHs）是下一代柔性电子传感系统的新兴材料。然而，如何制备具有出色的拉伸性、粘附性、自愈性、光热转换、多传感和环境稳定性的导电水凝胶仍是一个巨大的挑战。本文，郑州大学孙红玲教授团队《ACS AMI》期刊发表名为“Temperature-Tolerant Versatile Conductive Zwitterionic Nanocomposite Organohydrogel toward Multisensory Applications”的论文，研通过自由基共聚加甘油浸泡的策略，制备了一种高拉伸导电性聚（丙烯酰胺-共-SBMA）/羧基纤维素纳米纤维（CCNF）/rGO纳米复合有机水凝胶（MSCG-OH），它具有可逆的粘附和自修复能力、良好的光热转换性能、优异的环境稳定性以及可靠的应变和温度双重传感。
CCNF 作为稳定的纳米载体，可以帮助 rGO 均匀地分散在水中，不会破坏 rGO 的电子结构，而且可以有效地承载和支撑 rGO，产生连续和相互连接的导电通路。偶极-偶极相互作用和多重氢键赋予了所制备的 MSCG-OH 高伸展性（高达 1440%）、良好的自愈性和强粘附性（与纸张的粘附力高达 87 kPa）等综合特性。此外，所制备的有机水凝胶还具有出色的温度适应性（-40 至 60 °C），提高了有机水凝胶在恶劣环境中应用的可行性。令人印象深刻的是，该有机水凝胶能有效地实现应变和温度的双重感应，在宽广的温度窗口（-40 至 60 °C）内显示出 0-1440% 的出色应变感应能力和卓越的热感应特性。实验证明，这种有机水凝胶即使在恶劣的环境中也能用于精确检测动态温度变化和复杂的人体运动。有趣的是，rGO 的光吸收行为赋予了有机水凝胶出色的光热转换特性。这项研究为多功能柔性电子学的应用提供了一个独创的平台。
图文导读
图1. (a) MSCG-OH 的设计和结构示意图。(b) 冻干 MSCG 水凝胶的 SEM 图像。(c) rGO、MSCG 水凝胶和 MSCG-OH 的 WXRS 测量结果。(d) CCNF、PAM 水凝胶、MSCG 水凝胶和 MSCG-OH 的傅立叶变换红外光谱分析。(e、f）MSCG-OH 的特性和应用示意图。
图2.制备的MSCG-OHs的力学性能。
图3.（a） 导电MSCG-OH与LED灯泡串联的自愈能力。（b） 光学和超深3D显微镜图像，说明MSCG-OH的自愈过程。（c）典型的拉伸应力-应变曲线和（d）MSCG-OH的相关HEs与愈合时间的关系。（e） 愈合的MSCG-OH的循环稳定性。（f） MSCG-OH的自愈机制。
图4.MSCG-OH的粘附性能。
图5.MSCG-OH的环境适应性
图6.MSCG-OH的热敏性能和光热转换性能。
图7.MSCG-OH的应变响应行为。
图8.演示MSCG-OH作为可穿戴应变传感器，用于检测人体运动。
小结
综上所述，采用原位共聚和溶剂置换策略，精心设计构建了一种具有高拉伸性、强附着力、良好自愈性、优异环境适应性、理想光热转化性能和多传感能力的多功能两性离子纳米复合有机水凝胶。在CCNF的帮助下，rGO可以很好地分散在MSCG-OH中，实现完整的导电路径，并赋予有机水凝胶高导电性。MSCG-OH具有高拉伸性（1440%）、自愈性和理想的粘附性，这要归功于丰富的动态非共价相互作用（偶极-偶极结合、氢键和疏水相互作用）。由于有机水凝胶中甘油和水分子之间形成氢键，MSCG-OH可以在不同的恶劣环境（-40至60°C）下长期运行。值得注意的是，基于MSCG-OH的应变传感器具有16.3的高GF、宽检测范围（0–1440%）、0.1%应变的低检测限以及可靠的稳定性和重现性的综合应变响应特性。此外，温度传感器还可以在宽温度窗口（-40 至 60 °C）内实现高热感和出色的稳定性，使 MSCG-OH 能够在环境温度下检测复杂的人体活动。有趣的是，由于rGO的光热转换特性，MSCG-OH还具有理想的光热转换性能。这项工作为高性能柔性电子的构建提供了新的见解。
文献：https://doi.org/10.1021/acsami.4c08984
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