近年來,隨著可穿戴式智能電子產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,“有限的柔性”已經(jīng)難以滿足未來發(fā)展的需求,可拉伸性、自修復(fù)性、透明度和高靈敏度等性能愈發(fā)顯得重要。在可拉伸系統(tǒng)的各種應(yīng)用中,溫度檢測與我們?nèi)粘I罴敖】滇t(yī)療緊密相關(guān)。水凝膠因其離子導(dǎo)電性、本征可拉伸性、制備簡易、刺激響應(yīng)性等優(yōu)勢,已成為當(dāng)前可拉伸電子器件領(lǐng)域的研究熱點。但傳統(tǒng)水凝膠的熱穩(wěn)定性差,易脫水和結(jié)冰,使制備的溫度傳感器的穩(wěn)定性較差,溫度檢測范圍窄,而有機水凝膠提供了新的解決方案。另外,離子水凝膠的溫敏機理及性能影響因素尚不清晰,有待系統(tǒng)研究。
早前,吳進(jìn)副教授團(tuán)隊利用聚丙烯酰胺/卡拉膠雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠中的離子遷移受熱激發(fā)導(dǎo)致其導(dǎo)電性變化的特點,制備了本征高度可拉伸的溫度傳感器。最近,該團(tuán)隊通過進(jìn)一步探索水凝膠的溶劑環(huán)境對其溫敏特性的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)溶劑對離子水凝膠的溫敏特性具有重要影響。利用溶劑置換策略(圖1),引入保水、抗凍的乙二醇/丙三醇(EG/Gly)溶劑,將傳統(tǒng)以水為溶劑的水凝膠轉(zhuǎn)換為具有水-醇二元溶劑體系的有機水凝膠,進(jìn)而制備了具有良好熱穩(wěn)定性、自修復(fù)性、超靈敏的可拉伸溫度傳感器。
研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過長時間的高溫(如50、70°C)處理,傳統(tǒng)水凝膠早已變得干而硬,而有機水凝膠在高溫下的熱穩(wěn)定性顯著提升,尤其是經(jīng)丙三醇修飾后的有機水凝膠,在嚴(yán)酷的環(huán)境條件下能長期保持其機械變形性、質(zhì)量和導(dǎo)電性(圖2)。
有機水凝膠的冰點主要取決于溶劑,由于丙三醇與水分子形成強氫鍵,有效抑制低溫下冰晶的形成,極大降低了有機水凝膠的冰點(-120°C)。得益于有機水凝膠中的大量氫鍵和卡拉膠雙螺旋結(jié)構(gòu)的解旋與重構(gòu),在經(jīng)過簡單的加熱-冷卻處理后,完全斷裂的凝膠僅需30分鐘便可實現(xiàn)高效自修復(fù)(圖3)。
水凝膠的溫敏機理:離子遷移是一個熱激發(fā)的過程,水凝膠中離子的定向遷移需要跨越高分子鏈的障礙,隨著溫度升高,一方面,離子遷移率增大;另一方面,部分被束縛的離子解離或釋放,導(dǎo)致離子濃度增大,這兩方面的因素共同導(dǎo)致水凝膠的電導(dǎo)隨溫度的升高而增大(圖4)。
通過干燥處理調(diào)控水凝膠的溶劑(水)含量,發(fā)現(xiàn)部分脫水的水凝膠對溫度響應(yīng)的靈敏度顯著增強,靈敏度從2.95%/°C提升至13.1%/°C。這可解釋為,部分脫水的水凝膠中被束縛的離子比例較高,在溫度升高時,這些被束縛的離子受熱激發(fā)能夠克服聚合物鏈的障礙而自由移動,在宏觀上表現(xiàn)為電導(dǎo)顯著增大(圖5)。
雖然通過改變含水量可調(diào)控水凝膠的熱靈敏度,但水凝膠的熱穩(wěn)定性較差,而有機水凝膠兼具高靈敏度和熱穩(wěn)定性的優(yōu)勢。通過引入EG/Gly調(diào)控水凝膠的溶劑環(huán)境,增大有機水凝膠的初始電阻,并顯著提升了溫度檢測的靈敏度。當(dāng)有機水凝膠被拉伸至100%時,其熱靈敏度仍高于10%/°C,而在大幅度彎曲和扭轉(zhuǎn)形變情況下靈敏度的變化幾乎可以忽略不計。
這項研究首次發(fā)現(xiàn)通過調(diào)控水凝膠的溶劑可大幅度提升水凝膠的溫敏特性,拓展了水凝膠的應(yīng)用范圍,為實現(xiàn)高靈敏度和熱穩(wěn)定的水凝膠可穿戴電子器件的制備提供了新的策略。
以上成果以題為“Ultrasensitive and Stretchable Temperature Sensor Based on Thermally Stable and Self-Healing Organohydrogels” 發(fā)表在期刊ACS Applied Materials & Interfaces上,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劃等項目的資助。
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