導(dǎo)電水凝膠由于與生物組織相似、耐磨性好、信息采集精度高，已成為多功能應(yīng)變傳感器的候選材料。然而，由于缺乏交聯(lián)結(jié)構(gòu)與性能之間結(jié)合機(jī)制的研究，制備兼具高靈敏度、顯著機(jī)械性能、優(yōu)異的傳感穩(wěn)定性、快速響應(yīng)和低檢測限的水凝膠傳感器一直面臨重大挑戰(zhàn)。此外，由于傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器在自然條件下的不可降解性和不完全可回收性，電子廢棄物逐漸增多。因此，迫切需要開發(fā)具有優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度、顯著自愈能力、環(huán)境可降解和可回收性的導(dǎo)電水凝膠應(yīng)變傳感器來檢測微量形變。

　　華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳克復(fù)院士團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種簡單的策略，通過分子水平的多重動(dòng)態(tài)交聯(lián)作用（MMDI）設(shè)計(jì)了一種自修復(fù)、可回收和導(dǎo)電的水凝膠基應(yīng)變傳感器，獲得的明膠/DATNFC/Fe3+水凝膠（GDIH）與純明膠水凝膠相比，拉伸強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度顯著增加，且有著優(yōu)異的壓縮應(yīng)力（1310 kPa）、自愈能力和導(dǎo)電性。該水凝膠被開發(fā)為多功能應(yīng)變傳感器，具有高應(yīng)變靈敏度和壓縮靈敏度，可用于制造電子皮膚并準(zhǔn)確識別檢測微小變形引起的電生理信號，具有傳感穩(wěn)定性和快速壓縮響應(yīng)時(shí)間（200 ms）。

　　MMDI水凝膠是通過溶膠-凝膠反應(yīng)和離子浸入法制備的，無需復(fù)雜的分子設(shè)計(jì)和化學(xué)反應(yīng)，主要由明膠、改性修飾納米纖維素（DATNFC）和Fe3+組成多重動(dòng)態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，能夠可逆地?cái)嗔押椭亟?，提供了凝膠優(yōu)異的機(jī)械性能和優(yōu)異的自愈能力。與純明膠相比，拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度分別提高了990.7%和3822.7%。

圖1：水凝膠的合成示意圖

圖2：GDIH水凝膠的機(jī)械性能

　　水凝膠被用作導(dǎo)體來構(gòu)建導(dǎo)電電路，LED燈泡在不同的壓力下顯示出不同的亮度，對不同應(yīng)變具有良好的敏感性和穩(wěn)定性。歸因于離子的遷移，增加的相對電阻變化與拉伸應(yīng)變成正呈現(xiàn)線性增加。當(dāng)水凝膠被拉伸時(shí)，導(dǎo)電路徑的長度變長，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)變得松散。離子傳輸受到限制，導(dǎo)致體電阻增加。由于這種良好的線性關(guān)系，校準(zhǔn)過程可以簡化，從而提高信號精度，確保了檢測人體運(yùn)動(dòng)、電生理信號和微量形變的可靠性。

圖3：GDIH水凝膠的電化學(xué)性能

圖4：筆跡識別和壓力感應(yīng)表征

　　綜上所述，該研究通過溶膠-凝膠法和離子滲透法兩步工藝制備了一種新型納米復(fù)合水凝膠基傳感器，表現(xiàn)出顯著的機(jī)械性能、優(yōu)異的靈敏度、傳感穩(wěn)定性、自愈性和可回收性，為解決機(jī)械強(qiáng)度和傳感之間長期存在的困境提供了可行的方案。所開發(fā)的應(yīng)變傳感器是一種良好的電子設(shè)備，具有大規(guī)模生產(chǎn)的潛在商業(yè)化潛力，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療監(jiān)測、軟機(jī)器人和人工智能設(shè)備的開發(fā)。

　　上述研究以“A Self-healing, Recyclable and Conductive Gelatin/Nanofibrillated Cellulose/Fe3+ Hydrogels Based on Multi-Dynamic Interactions for Multifunctional Strain Sensors”為題發(fā)表在《Materials Horizons》上，第一作者為付浩成博士，通訊作者為該團(tuán)隊(duì)的王斌副研究員、李金鵬博士與徐峻教授級高級工程師，該工作得到了國家自然科學(xué)基金和“博新計(jì)劃”等項(xiàng)目的支持。

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　　https://doi.org/10.1039/D2MH00028H