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马建中教授团队在《Advanced Functional Materials》发表论文:基于霍夫迈斯特效应实现有机水凝胶离子电导率和机械性能的平衡并用于柔性传感

发布日期:2023-01-22   作者:  点击量:

近年来,基于离子导电水凝胶的电子皮肤及其在柔性传感器中的应用引起了研究者的极大兴趣,但大多数水凝胶的机械强度较低。在形变过程中引入能量耗散机制,如构建独特的结构或形成纳米晶畴等,已成为改善其力学性能的常用策略。然而,过度交联的网络结构会对水凝胶的离子迁移过程产生消极影响。因此,如何实现离子导电水凝胶电导率和力学性能间的平衡仍然是一个挑战。此外,水凝胶在零度以下会发生冻结,而长期暴露在空气中水分会蒸发,导致其机械强度和电导率降低甚至丧失。因此,赋予离子导电水凝胶对极端环境的适应能力势在必行。

鉴于此,陕西科技大学马建中教授团队将霍夫迈斯特效应和油/水体系结合,设计了一种新型离子导电有机水凝胶(PGCB-OHs),实现了高电导率和良好机械强度间的平衡,并在较大温度范围内拓宽了其工作范围。 

Kosmotropes和chaotropes诱导的盐析和盐溶效应可以调节聚合物链的聚合态,进而影响含水量和孔隙结构,最终在较大范围内实现PGCB-OHs机械强度和离子电导率的同步调控。其中,离子传输过程与交联密度引起的含水量和孔隙结构变化密不可分,而聚合物链和结晶域的致密或疏松化程度决定了其机械性能。 

此外,丙三醇/水体系的引入赋予PGCB-OHs良好的低温耐受性和保湿性能,为其在恶劣环境下的正常工作提供了可能。丙三醇上的羟基充当氢键供体,与水分子相互作用形成致密的氢键结构,不仅干扰了水分子的冻结过程,而且降低了水的蒸汽压,有效地阻碍了水分子从水/甘油二元溶剂中的蒸发。 

这些特性使得PGCB-OHs能够实现对人体细微运动和大范围活动的实时监测,在可穿戴柔性传感器和人造电子皮肤等领域具有广阔的应用前景。总之,本研究为离子导电水凝胶导电和力学性能的可控调节提供了一种简单的策略,为基于多功能水凝胶制造新型智能传感器提供了新思路。 

该成果以“Hofmeister Effect Assisted Dual-Dynamic-Bond Cross-Linked Organohydrogels with Enhanced Ionic Conductivity and Balanced Mechanical Properties for Flexible Sensors”为题在国际期刊《Advanced Functional Materials》发表论文。本文第一作者是郭茹月博士生,鲍艳教授和马建中教授为通讯作者。

文章信息:Ruyue Guo, YanBao*, XiZheng,WenboZhang,ChaoLiu,JieChen, JiachenXu,LuxuanWang, Jianzhong Ma*.Hofmeister Effect Assisted Dual-Dynamic-Bond Cross-Linked Organohydrogels with Enhanced Ionic Conductivity and Balanced Mechanical Properties for Flexible Sensors[J]. Advanced Functional Materials,2023, 2213283. https://doi.org/10.1002/adfm.202213283.