生物纖維組織（皮膚、肌肉、韌帶等）具有良好的力學(xué)性能與刺激響應(yīng)性，其力學(xué)性能可歸因于柔軟基質(zhì)中嵌入的韌性纖維（如膠原纖維）以及纖維與軟基質(zhì)之間的化學(xué)相互作用。受生物纖維組織結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，東華大學(xué)紡織科技創(chuàng)新中心俞建勇院士及丁彬研究員帶領(lǐng)的納米纖維研究團(tuán)隊(duì)以柔韌二氧化硅納米纖維作為離子導(dǎo)電水凝膠的增強(qiáng)組分，同時(shí)引入乙烯基硅烷，通過(guò)水解縮合-自由基聚合方法在納米纖維與水凝膠網(wǎng)絡(luò)間原位化學(xué)交聯(lián)，獲得了兼具高拉伸模量與高離子電導(dǎo)率的水凝膠材料。該透明納米纖維增強(qiáng)水凝膠的拉伸強(qiáng)度為0.3MPa（斷裂應(yīng)變?yōu)?400%），拉伸彈性模量為0.11MPa（與人類皮膚模量相當(dāng)），1000次拉伸（100%應(yīng)變）循環(huán)無(wú)塑性變形。

圖1. a）納米纖維增強(qiáng)水凝膠的制備示意圖，b）納米纖維增強(qiáng)水凝膠的光學(xué)圖像，c）二氧化硅納米纖維和PAM鏈之間的物理/化學(xué)作用示意圖，d）水凝膠的XPS光譜，e）Si元素的高分辨XPS光譜，f、g）不同放大倍數(shù)下水凝膠的SEM圖，h）EDS圖譜。

所制備的納米纖維增強(qiáng)水凝膠材料具有高離子電導(dǎo)率（3.93 S m^-1），可檢測(cè)寬范圍拉伸應(yīng)變（0.5-1100%）和壓縮應(yīng)力（1-28kPa），同時(shí)具有較高靈敏度（GF=2.67）和循環(huán)穩(wěn)定性（10000次壓縮傳感信號(hào)強(qiáng)度幾乎不變），可高靈敏度檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)及脈搏跳動(dòng)。此外，納米纖維增強(qiáng)水凝膠傳感器可有效檢測(cè)復(fù)雜且微小的外界刺激，如書寫字跡，在字跡防偽領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。該復(fù)合水凝膠的設(shè)計(jì)思路和簡(jiǎn)易的制備過(guò)程為開發(fā)新一代可拉伸的強(qiáng)韌離子導(dǎo)電水凝膠材料提供了新思路。

圖2. a）水凝膠傳感器的相對(duì)電阻變化與應(yīng)變的關(guān)系曲線，b）水凝膠傳感器在100%拉伸應(yīng)變下1000次循環(huán)穩(wěn)定性，c）傳感器在不同壓力下的相對(duì)電阻變化和壓力靈敏度，d）傳感器在6.37kPa壓力下10000次循環(huán)穩(wěn)定性，水凝膠傳感器檢測(cè)e）手指不同角度彎曲、f）肘部重復(fù)彎曲運(yùn)動(dòng)和g）人體脈搏，h）字跡感應(yīng)示意圖，i）書寫字母“C”和j，k）不同的志愿者書寫“we”的相對(duì)電阻變化。

以上相關(guān)研究成果以“In Situ Synthesis of Mechanically Robust, Transparent Nanofiber-Reinforced Hydrogels for Highly Sensitive Multiple Sensing”為題發(fā)表于Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202103117)，該論文第一作者為東華大學(xué)紡織學(xué)院博士生盧緒燕，共同通訊作者為丁彬研究員和張世超研究員。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市教育委員會(huì)、中央高校基礎(chǔ)研究項(xiàng)目的大力資助。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202103117

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