近年來，隨著可穿戴式智能電子產業(yè)的迅速發(fā)展，“有限的柔性”已經難以滿足未來發(fā)展的需求，可拉伸性、自修復性、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)的各種應用中，溫度檢測與我們日常生活及健康醫(yī)療緊密相關。水凝膠因其離子導電性、本征可拉伸性、制備簡易、刺激響應性等優(yōu)勢，已成為當前可拉伸電子器件領域的研究熱點。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，吳進副教授團隊利用聚丙烯酰胺/卡拉膠雙網絡水凝膠中的離子遷移受熱激發(fā)導致其導電性變化的特點，制備了本征高度可拉伸的溫度傳感器。最近，該團隊通過進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換為具有水-醇二元溶劑體系的有機水凝膠，進而制備了具有良好熱穩(wěn)定性、自修復性、超靈敏的可拉伸溫度傳感器。
研究發(fā)現(xiàn)經過長時間的高溫（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，尤其是經丙三醇修飾后的有機水凝膠，在嚴酷的環(huán)境條件下能長期保持其機械變形性、質量和導電性（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構的解旋與重構，在經過簡單的加熱-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（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，導致離子濃度增大，這兩方面的因素共同導致水凝膠的電導隨溫度的升高而增大（圖4）。
通過干燥處理調控水凝膠的溶劑（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)為電導顯著增大（圖5）。
雖然通過改變含水量可調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吳進副教授。
該研究工作得到了國家自然科學基金、廣東省自然科學基金和廣州市科技計劃等項目的資助。
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