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圖1 抗溶脹水凝膠應(yīng)變傳感器水下監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究

蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院呂少瑜教授課題組主要圍繞水凝膠以及多功能載體材料來(lái)展開(kāi)研究。由于導(dǎo)電水凝膠固有的柔性、導(dǎo)電性和類(lèi)生物組織性，逐漸成為制備柔性可穿戴設(shè)備的首選材料之一。然而，水凝膠在水環(huán)境中會(huì)不可避免地發(fā)生溶脹行為，這會(huì)極大地?fù)p害其力學(xué)和電學(xué)性能，進(jìn)而影響其作為柔性可穿戴設(shè)備的傳感性能?；谏鲜鰡?wèn)題，我們制備了一種抗溶脹導(dǎo)電水凝膠。該水凝膠具有高韌性（518 kJ/m³）、高壓縮模量（8.12 MPa）、高離子電導(dǎo)率（4.58 S/m）以及抗溶脹性能（水中30天平衡溶脹比為9%）?；谠摽谷苊浰z開(kāi)發(fā)了一種水下應(yīng)變傳感器，研究了其在水下運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。

該水凝膠傳感器由聚乙烯醇(PVA)、甲基丙烯酰乙基磺基甜菜堿(SBMA)和甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)的共聚物組成。柔性PHEMA鏈提供的氫鍵可提高水凝膠對(duì)外力的抵抗，同時(shí)增強(qiáng)了其適應(yīng)外界鹽度和酸度變化的能力。冷凍/解凍形成的PVA微晶結(jié)構(gòu)域作為無(wú)定形水凝膠網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)點(diǎn)，提高了水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度。兩性離子SBMA的引入提供了離子遷移通道，因而提高了水凝膠的電導(dǎo)率。同時(shí)，通過(guò)調(diào)控兩性離子的平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了水凝膠的抗溶脹。該水凝膠在純水和人工海水浸泡30天后平衡溶脹比分別為9%和13%。此外，水凝膠還能在不同溶劑和較寬的pH范圍內(nèi)保持抗溶脹，這對(duì)拓展其應(yīng)用十分有利。在水中浸泡一天后，該水凝膠傳感器仍表現(xiàn)出優(yōu)異的傳感性能。進(jìn)一步評(píng)估了該水凝膠應(yīng)變傳感器在水下運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，結(jié)果顯示，該水凝膠傳感器能夠準(zhǔn)確而可靠地識(shí)別水下運(yùn)動(dòng)信號(hào)（圖1）。該研究為開(kāi)發(fā)用于水下環(huán)境的水凝膠傳感器提供了一種新的策略，且拓展了柔性可穿戴設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域。相關(guān)工作發(fā)表于Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2107404