近年來，柔性電子設(shè)備在健康管理、運動監(jiān)測及人機(jī)交互等領(lǐng)域快速發(fā)展。作為最具潛力的柔性導(dǎo)電材料，傳統(tǒng)導(dǎo)電水凝膠因富含親水基團(tuán)，在潮濕環(huán)境中易吸水溶脹，導(dǎo)致機(jī)械性能下降、傳感精度衰減，并因水化層形成削弱與基底的粘附力。這些缺陷嚴(yán)重限制了其在水下場景的應(yīng)用，開發(fā)抗溶脹水凝膠成為解決水下活動安全監(jiān)測的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

福州大學(xué)賴躍坤教授、黃劍瑩教授團(tuán)隊和安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)朱天雪教授開發(fā)了一種新型紫外固化雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠（PAHCT），通過丙烯酸（AA）、甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）、單寧酸（TA）和季銨化殼聚糖（QCS）的一步自由基聚合，構(gòu)建了多重氫鍵、靜電作用和鏈纏結(jié)協(xié)同的高密度交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。該水凝膠溶脹率僅5.5%，拉伸率高達(dá)990%，且TA顯著提升粘附強(qiáng)度（不銹鋼表面達(dá)59 kPa）?；谄浞€(wěn)定導(dǎo)電性，PAHCT水凝膠傳感器可實現(xiàn)陸上大范圍人體運動監(jiān)測及水下可靠通信，為兩棲可穿戴電子設(shè)備開辟新路徑。圖1揭示了PAHCT水凝膠的合成機(jī)制：紫外引發(fā)聚合形成聚(AA-HEMA)與QCS的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。掃描電鏡（SEM）顯示，添加QCS后凝膠孔徑從3.28 μm縮小至0.88 μm，交聯(lián)密度顯著提高；Zeta電位由負(fù)轉(zhuǎn)正（-15.6 mV→+38.2 mV），證實聚(AA-HEMA)羧基與QCS季銨鹽的靜電作用；紅外光譜中羥基峰位移（3361 cm?1→3356 cm?1）驗證了TA引入的額外氫鍵，共同抑制水分子滲透網(wǎng)絡(luò)。這種致密結(jié)構(gòu)為水下抗溶脹性能奠定基礎(chǔ)，使其可應(yīng)用于水下莫爾斯電碼求救信號傳輸。

圖1. a) PAHCT水凝膠合成示意圖。 b) PAHT與PAHCT水凝膠的掃描電鏡（SEM）圖像。 c) PAHT與PAHCT水凝膠的孔徑統(tǒng)計。 d) 水凝膠的Zeta電位。 e) PAHCT水凝膠的傅里葉變換紅外（FTIR）光譜。 f) PAHCT抗溶脹水凝膠在水下應(yīng)用的示意圖。

圖2展示了凝膠的力學(xué)與粘附性能。含3% QCS和4% TA的配方實現(xiàn)最優(yōu)平衡：拉伸率達(dá)990%（斷裂強(qiáng)度96 kPa），180°扭轉(zhuǎn)后仍保持結(jié)構(gòu)完整。循環(huán)拉伸測試中，100%應(yīng)變下能量耗散僅1.35 kJ/m3，400%應(yīng)變時為23.82 kJ/m3，歸因于動態(tài)氫鍵斷裂-重構(gòu)的耗能機(jī)制。粘附強(qiáng)度測試表明，其對不銹鋼（59.1 kPa）、玻璃（53.8 kPa）等基底均具強(qiáng)附著力，且10次循環(huán)后性能無衰減。分子作用分析指出，羧基/羥基、靜電作用及鏈纏結(jié)是粘附力的核心來源。

圖2. a) PAHCT水凝膠實物圖。 b) 不同QCS含量水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 c) 不同TA含量水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 d) 不同TA含量水凝膠在不銹鋼基底上的粘附強(qiáng)度。 e) PAHCT水凝膠對不同基底的粘附強(qiáng)度。 f) PAHCT水凝膠的粘附循環(huán)測試。 g) 水凝膠與不同基底的潛在粘附機(jī)制。

圖3驗證了傳感器的電學(xué)響應(yīng)性能。拉伸時燈泡亮度漸變，對應(yīng)應(yīng)變系數(shù)（GF）在0%-60%、60%-200%、200%-500%區(qū)間分別為0.77、0.98和1.13。不同拉伸速率（50-200 mm/min）下電阻變化（ΔR/R?）穩(wěn)定，10%-500%應(yīng)變循環(huán)信號清晰可辨，響應(yīng)/恢復(fù)時間達(dá)0.66 s/0.61 s。800次100%應(yīng)變循環(huán)后電信號穩(wěn)定，凸顯疲勞抗性。壓力傳感測試中，凝膠在0%-45%壓縮范圍內(nèi)分三段線性響應(yīng)，靈敏度最高達(dá)GF=5.26（0%-13%應(yīng)變）。

圖3. a) 水凝膠傳感器拉伸時燈泡亮度變化照片。 b) PAHCT水凝膠傳感器的應(yīng)變系數(shù)（GF）。 c) 100%應(yīng)變下不同拉伸速度時水凝膠傳感器的相對電阻變化。 d,e) PAHCT水凝膠傳感器在小應(yīng)變（10%–50%）和大應(yīng)變（100%–500%）下的相對電阻變化。 f) PAHCT水凝膠傳感器在100%應(yīng)變下800次加載-卸載循環(huán)的穩(wěn)定性測試（插圖：循環(huán)拉伸放大圖）。

圖4聚焦水下穩(wěn)定性。PAHCT凝膠在水中7天溶脹率僅5.5%，遠(yuǎn)低于對照組PAHT的317%（48小時即破裂）。其抗溶脹性源于高交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)對親水鏈的屏蔽作用，在pH 3-9溶液中溶脹率<21%，pH=11時為28.6%。水下傳感測試中，10%-100%應(yīng)變下電阻變化與變形量正相關(guān)，100%應(yīng)變循環(huán)200次信號穩(wěn)定，且在0-40℃寬溫域內(nèi)性能一致。

圖4. a) 不同組分水凝膠的溶脹率。 b) PAHCT水凝膠在不同有機(jī)溶劑中浸泡7天的溶脹曲線。 c) PAHCT水凝膠在不同pH溶液中浸泡7天的溶脹率。 d) 不同水凝膠的溶脹率與應(yīng)變性能對比。 e,f) 水下環(huán)境中PAHCT水凝膠傳感器在不同應(yīng)變（10%-40% 和 50%-100%）下的相對電阻變化。 g) 水下100%應(yīng)變時PAHCT水凝膠傳感器200次循環(huán)的穩(wěn)定性。 h) 對應(yīng)循環(huán)拉伸的放大圖。

圖5演示了水下應(yīng)用場景。手指彎曲30°和90°分別對應(yīng)莫爾斯碼“點”和“劃”，通過實時電阻變化成功傳輸“SOS”及“help me”信號。傳感器可精準(zhǔn)監(jiān)測吞咽、頸部傾斜等微動作，并在空氣/水下環(huán)境中穩(wěn)定捕獲手指、手腕、肘部等大關(guān)節(jié)運動信號，為水下救援通信提供可靠工具。

圖5. a) 莫爾斯電碼字母解碼表。 b) 水下莫爾斯通信示意圖（30°彎曲對應(yīng)"點"，90°彎曲對應(yīng)"劃"）。 c) 不同手指彎曲角度下水下電信號的循環(huán)穩(wěn)定性。 d,e) 通過手指彎曲傳輸?shù)?SOS"及"help me"莫爾斯電碼信號。 f-h) PAHCT水凝膠傳感器在空氣/水下環(huán)境中監(jiān)測手指、手腕和肘部運動。

未來展望

該研究通過簡易的一鍋紫外聚合法，創(chuàng)制了兼具抗溶脹性（溶脹率<5.5%）、超高延展性（990%）與強(qiáng)粘附力的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠。多重動態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計解決了水下穩(wěn)定性難題，800次拉伸循環(huán)后電信號仍保持穩(wěn)定，為水下運動監(jiān)測與實時通信提供了新材料平臺。此項突破有望推動新一代水下可穿戴電子設(shè)備及兩棲健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展。

審核編輯 黃宇