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港中深唐本忠院士/北理工黎朝 AM：基于AIE活性納米復(fù)合水凝膠的可穿戴交互式信息-傳感材料
2024-03-23  來源：高分子科技

  可視化交互式電子應(yīng)變可穿戴傳感器在人體活動(dòng)監(jiān)測(cè)和個(gè)人健康管理等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。賦予傳感器發(fā)光功能是可視化的有效途徑，符號(hào)信息的引入能夠增強(qiáng)變化的可識(shí)別性。因此，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變依賴的發(fā)光符號(hào)信息和電信號(hào)變化的可穿戴傳感器具有重要價(jià)值，其開發(fā)具有挑戰(zhàn)，協(xié)同復(fù)雜材料多組分實(shí)現(xiàn)多功能集成是關(guān)鍵。


圖1. 本工作開發(fā)的水凝膠基可穿戴交互式熒光信息-電子應(yīng)變傳感器示意圖。


  香港中文大學(xué)（深圳）唐本忠院士與北京理工大學(xué)黎朝副研究員團(tuán)隊(duì)合作，提出凝膠單組分多任務(wù)策略，結(jié)合聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）和基于納米粘土的納米復(fù)合（NC）水凝膠，開發(fā)了可穿戴熒光信息-電子應(yīng)變傳感器（圖1）。在該傳感器中，納米粘土扮演了“一石三鳥”的作用：①引入水溶性陽離子AIE化合物（AIEgen），通過靜電相互作用吸附于表面帶負(fù)電荷的納米粘土上，粘土的剛性有效束縛了AIEgen分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)亮”型熒光；②納米粘土可電離Na+，賦予凝膠離子導(dǎo)電性和優(yōu)異的應(yīng)變傳感性能；③納米粘土還賦予凝膠優(yōu)異的拉伸性能，在此基礎(chǔ)上引入微量化學(xué)交聯(lián)點(diǎn)于凝膠聚合物網(wǎng)絡(luò)中，使凝膠表現(xiàn)出出色的回彈性。還引入支鏈淀粉（AP）于凝膠網(wǎng)絡(luò)中，賦予了凝膠皮膚粘附性和優(yōu)異的細(xì)胞相容性。


圖2. AIEgen、AIEgen/粘土和水凝膠體系的熒光行為研究。


  設(shè)計(jì)合成的陽離子AIEgen（(Me3N)4-TPE4+）具有典型AIE行為（圖2b、c），并可與納米粘土（Laponite XLS）發(fā)生靜電相互作用實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)亮”型熒光（圖2d – f），并可在NC水凝膠上實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度熒光（熒光強(qiáng)度增加80倍）的引入（圖2g、h）。所開發(fā)的凝膠在AP含量2 wt%時(shí)，豬皮粘附強(qiáng)度為11.4 kPa（圖3a），還表現(xiàn)出對(duì)銅、橡膠和紙的粘附性（圖3b、c）；凝膠具有優(yōu)異的細(xì)胞相容性（圖3d、e）；凝膠擁有優(yōu)異的拉伸性能（斷裂應(yīng)力：0.98 MPa，斷裂應(yīng)變：1170%）（圖3f、g）、回彈性（彈性恢復(fù)率：97.8%）（圖3h、i）和抗疲勞性能（圖3j）；凝膠有良好的導(dǎo)電性（圖4a）和出色的應(yīng)變傳感性能（應(yīng)變系數(shù)（GF）可達(dá)10.9）（圖4c – f），可進(jìn)行手指、手腕、手肘屈伸的監(jiān)測(cè)（圖4g – i）。 


圖3. 水凝膠粘附性、力學(xué)性能和生物相容性研究。


圖4. 水凝膠導(dǎo)電性和應(yīng)變傳感性能研究。


  高對(duì)比度和靈活的信息錄入，以及面向可穿戴場(chǎng)景，協(xié)同柔性材料形變實(shí)現(xiàn)信息變換，具有重要價(jià)值。研究人員以AIEgen水溶液作為“墨水”，借助激光雕刻制備的刻有符號(hào)圖案的柔性印章，將墨水印于凝膠上，可實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度熒光符號(hào)信息的錄入（圖5a），將此過程命名為熒光轉(zhuǎn)移點(diǎn)亮（FTL）印刷，熒光轉(zhuǎn)移印刷可為信息的錄入提供更高的靈活性。符號(hào)信息，包括條碼和文字，由許多子圖形組成，它們的形狀、間距、排列等賦予了符號(hào)可識(shí)別的唯一性。柔性膜材料在拉伸狀態(tài)下面積增加，為新符號(hào)信息的錄入提供了空間，此時(shí)錄入的符號(hào)，在材料恢復(fù)時(shí)可收縮融合。在材料原始狀態(tài)下錄入第一重符號(hào)，在拉伸狀態(tài)下，在第一重符號(hào)子圖形區(qū)域錄入第二重符號(hào)，材料恢復(fù)后，第二重符號(hào)收縮融合成第一重符號(hào)的子圖形，再次拉伸下，即可實(shí)現(xiàn)信息的拓展和變換。以此策略，結(jié)合NC水凝膠和AIE活性墨水，進(jìn)行嵌套信息（文字@二維碼）的錄入，實(shí)現(xiàn)了拉伸介導(dǎo)的信息變換（圖5b）。由于凝膠具有基于電信號(hào)的應(yīng)變傳感功能，將其貼附于手肘，即可實(shí)現(xiàn)手肘屈伸介導(dǎo)的交互式熒光信息變換和電信號(hào)傳感（圖5c）。 


圖5. 結(jié)合水凝膠、AIE活性墨水、FTL技術(shù)實(shí)現(xiàn)多重嵌套熒光信息的錄入(a)和拉伸介導(dǎo)的信息拓展和變換(b)，以及所開發(fā)的可穿戴傳感器實(shí)現(xiàn)手肘屈伸響應(yīng)的交互式熒光信息-電信號(hào)變化。


  研究人員還進(jìn)一步將材料力學(xué)性能、熒光信息、和電信號(hào)隨拉伸的同步變化進(jìn)行了定量化研究，展示了三者同步變化的組合曲線（圖6）。


  該熒光信息-電子應(yīng)變傳感器為多功能材料的構(gòu)建提供了策略，為下一代交互式設(shè)備的開發(fā)提供了思路。該傳感器在可穿戴設(shè)備、人機(jī)界面、軟體機(jī)器人和人工智能領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。 


圖6. 所開發(fā)的傳感器的熒光信息/相對(duì)電阻變化-應(yīng)變/拉伸應(yīng)力-應(yīng)變組合曲線。


  文章以“From Fluorescence-Transfer-Lightening-Printing-Assisted Conductive Adhesive Nanocomposite Hydrogels toward Wearable Interactive Optical Information-Electronic Strain Sensors”為題，發(fā)表在Advanced Materials雜志上，香港中文大學(xué)（深圳）唐本忠院士和北京理工大學(xué)黎朝副研究員為共同通訊作者。


  文章鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202400085

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