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林科院儲富祥、王基夫/南林大勇強(qiáng) AFM：無液體、高回彈、抗凍纖維素共晶凝膠構(gòu)筑新策略
2023-12-18  來源：高分子科技

  電子皮膚（E-skin）具有類皮膚的物理-化學(xué)特性和感知特性，可感知多種外部環(huán)境的刺激（例如壓力、應(yīng)變、濕度和溫度等），已被廣泛應(yīng)用于軟機(jī)器人、人機(jī)界面、可穿戴電子和人工智能技術(shù)領(lǐng)域。共晶凝膠因優(yōu)異的生物相容性、綠色無毒和高導(dǎo)電性等特性，被認(rèn)為是設(shè)計開發(fā)電子皮膚的理想材料之一。然而，常見的共晶凝膠存在臨時鏈纏結(jié)、分子鏈間摩擦以及拉伸過程中鏈纏結(jié)的解纏等問題導(dǎo)致明顯的彈性滯后，其彈性性能難以與人類皮膚相匹配，進(jìn)而導(dǎo)致在實時傳感應(yīng)用中存在與人類組織機(jī)械失配和實時傳感信號滯后等不足。因此，制備高回彈、低滯后共晶凝膠對開發(fā)超彈電子皮膚具有極其重要的意義。



  近日，中國林科院儲富祥研究員、王基夫研究員與南京林業(yè)大學(xué)勇強(qiáng)教授通過構(gòu)筑纖維素錨定永久鏈纏結(jié)結(jié)構(gòu)與致密動態(tài)犧牲鍵實現(xiàn)了無液體、高回彈、抗凍纖維素共晶凝膠的制備。該纖維素共晶凝膠中，纖維素通過多重氫鍵錨定聚合物鏈纏結(jié)，同時結(jié)合致密動態(tài)犧牲鍵的斷裂和快速重建以及ZnCl2/EG金屬低共熔溶劑體系中乙二醇的潤滑作用，有效降低了共晶凝膠在拉伸過程中的鏈纏結(jié)的解纏以及分子鏈間摩擦，實現(xiàn)超高回彈性能，其回彈系數(shù)高達(dá)98.1%。此外，金屬鹽低共熔溶劑體系賦予纖維素共晶凝膠優(yōu)異的導(dǎo)電性能和抗凍性能，該共晶凝膠在-20℃下依舊保持較好的彈性性能。基于此，纖維素共晶凝膠作為電極材料被用于組裝摩擦納米發(fā)電機(jī)，并在超彈自供能電子皮膚、人體運動監(jiān)測以及人機(jī)交互等領(lǐng)域展現(xiàn)出高的應(yīng)用價值。 


圖1：高回彈、低滯后纖維素共晶凝膠結(jié)構(gòu)與自供能E-skin示意圖。 


圖2：（a）纖維素共晶凝膠的紅外光譜圖。（b-c）纖維素共晶凝膠的XPS譜圖。（d）纖維素共晶凝膠的SEM圖像和EDS圖譜。（e）纖維素共晶凝膠的電導(dǎo)率。（f）纖維素共晶凝膠出色的光學(xué)透明度。（g）纖維素共晶凝膠的流變性能。（h-i）纖維素共晶凝膠的機(jī)械性能。 


圖3：（a-e）纖維素共晶凝膠的彈性性能。（f，h）纖維素共晶凝膠的環(huán)境適應(yīng)性及低溫彈性性能。（g）纖維素共晶凝膠的高回彈機(jī)制。 


圖4：（a）基于共晶凝膠摩擦納米電機(jī)（E-TENG）結(jié)構(gòu)示意圖。（b）E-TENG的工作原理。（c-j）E-TENG的電輸出性能。 


圖5：自供能E-skin在監(jiān)測人體運動領(lǐng)域的應(yīng)用。 


圖6：（a-g）自供能E-skin在人機(jī)交互領(lǐng)域應(yīng)用。自供能E-skin在（h）監(jiān)測書寫及（i）陣列傳感器領(lǐng)域應(yīng)用。（j）纖維素共晶凝膠3D打印特性。


  該工作以“Skin-like transparent, high resilience, low hysteresis, fatigue-resistant cellulose-based eutectogel for self-powered E-skin and human-machine interaction”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。南京林業(yè)大學(xué)盧傳巍副教授為文章的第一作者，通訊作者為中國林科院儲富祥研究員、王基夫研究員和南京林業(yè)大學(xué)勇強(qiáng)教授。該工作得到國家自然科學(xué)基金重大項目（31890774），國家自然科學(xué)基金（32201498，31971600）的支持。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202311502

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