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  目前，可穿戴電子器件的蓬勃發(fā)展，其性能要求已經(jīng)從柔性提高到可拉伸性、自修復(fù)性和透明性。濕度是和我們的健康和日常舒適度緊密相關(guān)的重要變量，但在可拉伸傳感系統(tǒng)中鮮有研究報(bào)道。相比傳統(tǒng)的納米材料或復(fù)雜的微加工結(jié)構(gòu)，尋求本征可拉伸的材料無疑是一大突破口。水凝膠因具備超強(qiáng)拉伸性，體系豐富，生物兼容性好和制備成本低等天然優(yōu)勢，已經(jīng)成為可拉伸電子器件領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但一直受到易失水的問題困擾，水凝膠基電子器件的長期使用穩(wěn)定性是目前亟需解決的重要難題。

  中山大學(xué)吳進(jìn)副教授團(tuán)隊(duì)利用水凝膠易失水導(dǎo)致其導(dǎo)電性變化的特點(diǎn)，制備了本征高度可拉伸的濕度傳感器。利用溶劑置換策略，在水凝膠中引入保水、抗凍的乙二醇/丙三醇，將已合成的水凝膠轉(zhuǎn)換為有機(jī)水凝膠，形成具有水-醇二元溶劑體系的聚丙烯酰胺/卡拉膠雙網(wǎng)絡(luò)有機(jī)水凝膠，賦予水凝膠傳感器抗干燥特性，有效地解決了水凝膠失水變干的問題，延長器件的使用壽命和拓展器件的使用環(huán)境。另外，利用乙二醇/丙三醇分子上大量的羥基與水分子之間形成氫鍵，促進(jìn)空氣中的水分子在水凝膠上的吸附和凝結(jié)，大幅度提高了濕度傳感器的靈敏度。

圖1. 溶液置換法制備乙二醇/丙三醇-雙網(wǎng)絡(luò)有機(jī)水凝膠，并利用多元醇醇與水分子形成的氫鍵作用提高水凝膠的保濕性和濕度檢測的靈敏度

圖2.有機(jī)水凝膠的透明性、自修復(fù)性、拉伸性

  聚丙烯酰胺/卡拉膠雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠本身具備高度透明性，通過醇溶液置換后，透明度沒有明顯的退化；但力學(xué)強(qiáng)度得到加強(qiáng)；得益于卡拉膠雙螺旋結(jié)構(gòu)的解旋與重組，在完全斷裂的情況下，一小時(shí)的加熱保存即可得到修復(fù)后的水凝膠；此外該體系的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠具備超強(qiáng)的拉伸性，承受1225%拉伸應(yīng)變?nèi)晕磾嗔选?

圖3.乙二醇/丙三醇修飾水凝膠前后抗干燥對比

  未修飾的水凝膠一天內(nèi)就失水變干，失去導(dǎo)電性。經(jīng)過乙二醇/丙三醇修飾的水凝膠在40℃55%相對濕度的環(huán)境中放置50小時(shí)仍保持良好的柔性和拉伸性。經(jīng)過一系列溫度梯度、濕度梯度環(huán)境測試，修飾后的水凝膠仍具備導(dǎo)電性。通過對比研究發(fā)現(xiàn)，在溫和（常溫、高濕）的環(huán)境條件下，乙二醇修飾的水凝膠的保濕性較好；而在harsh的環(huán)境下（高溫、干燥），丙三醇修飾的水凝膠的保濕性較好。

圖4.水凝膠濕度傳感器響應(yīng)、應(yīng)用和機(jī)理

  乙二醇、丙三醇的引入極大提高了水凝膠濕度傳感器的靈敏度，靈敏度提高了近40倍，檢測范圍寬（4%~90%RH），響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間快達(dá)0.27s和0.30s,且長時(shí)間（一個(gè)月的）使用能維持性能穩(wěn)定。因?yàn)轫憫?yīng)速度極快，濕度傳感器可用于連續(xù)監(jiān)測人體呼吸頻率，用于人體健康監(jiān)測。

  首次揭示了水凝膠濕度傳感器的檢測機(jī)理：聚合物鏈對離子運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，聚合物鏈間隙中的自由水分子提供離子運(yùn)輸通道，環(huán)境濕度變化引起水凝膠聚合物鏈密度、通道容積變化，從而影響離子運(yùn)輸速度，導(dǎo)致電導(dǎo)率變化。本研究拓展了水凝膠的應(yīng)用范圍，為實(shí)現(xiàn)更加舒適、高性能的可穿戴電子器件提供了新的材料選擇。

  以上成果以題為“An intrinsically stretchable humidity sensor based on anti-drying, self-healing and transparent organohydrogels” 發(fā)表在期刊Materials Horizons上，本文的第一作者和通訊作者為中山大學(xué)吳進(jìn)副教授。

  該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金和廣州市科技計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1039/C8MH01160E