最新AFM：導電的MXene納米復合油水凝膠用于柔性、可修復和可低溫工作的應變傳感器

【引言】

由于導電水凝膠在可穿戴的應變傳感器、電子皮膚和個性化醫療監控等領域具有巨大的應用潛力而引起了研究人員極大的興趣。然而，一般的導電水凝膠以水作為分散介質，在零度以下不可避免會凍結，導致其導電性和機械性能變差。同時，室溫下這種水凝膠里的水由于蒸發而不可避免會變少，導致其保濕性能欠佳。

【成果簡介】

德克薩斯大學奧斯汀分校的余桂華教授和北京化工大學的萬鵬博教授（共同通訊作者）等人通過將MXene納米復合水凝膠(MNH)浸泡在乙二醇(EG)溶液中，用乙二醇溶液來代替水凝膠中的一部分水分子，制備了防凍的、自修復的和導電的MXene納米復合油水凝膠(MNOH)。MNH是通過將導電的MXene納米片引入水凝膠來制備的。MNOH能在?40 °C的低溫下不凍結，能連續8天處于濕潤狀態，具有出色的自修復能力和力學性能。而且，它能組裝成可穿戴的應變傳感器，在極端低溫下以相對寬的應變范圍（高達350%的應變）和高應變系數（44.85）監測人類生理活動。上述成果于近日發表在Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1.

a.MNOH的制備示意圖

b.剝離出的MXene納米片的SEM圖

c,d.凍干的MNH的SEM圖

圖2.

a.在EG中不同浸泡時間對MNOH抗凍性能的影響

b.不同浸泡時間對應的MNOH和MNOH內EG（插圖）的質量變化

c.MNOH和MNH的耐低溫行為

圖3.MNOH的持久保濕性能

a.在20℃、50%RH的環境中儲存了8天的MNH和MNOH的對比

b.浸泡了不同時間后儲存在20℃、50%RH環境中的MNOH的質量變化

圖4.

a.MNOH的自修復行為，其中圖i為原來的狀態，圖ii為完全分割的狀態，圖iii為成功自修復的狀態，圖iv為成功自修復后拉伸的狀態

b.MNOH自修復過程中電阻的變化

c.由MNOH和LED指示燈組成的電路，其中圖i為原來的狀態，圖ii為完全分割的狀態，圖iii為成功自修復的狀態，圖 (iv–vi)分別為圖i、ii和iii的示意圖

圖5.

a.低溫下MNOH或者MNH與LED指示燈組成的電路

b.不同應變下的MNOH傳感器的相對電阻變化

c.小應變下的MNOH傳感器的相對電阻變化

d.大應變下的MNOH傳感器的相對電阻變化

e.在-40℃的低溫下儲存了6小時的MNOH傳感器對手指彎曲響應所產生的相對電阻的變化

f.在-40℃的低溫下儲存了6小時的MNOH傳感器對吞咽唾液響應所產生的相對電阻的變化

【小結】

研究團隊用乙二醇溶液代替MNH中的一部分水分子，制備了MNOH，并用MNOH組裝成了柔性、可修復和耐低溫的應變傳感器。MNOH中水分子和乙二醇分子之間的大量氫鍵阻止了MNOH的凍結和水分的蒸發。因此，MNOH在-40℃的低溫下具有柔性，以及具有穩定的室溫保濕性。此外，MNOH內的動態化學鍵和超分子相互作用賦予了MNOH的自修復能力。應變傳感器能無線監測人類活動，其應變系數為44.85，應變范圍高達350%。這項工作在電子皮膚、人機交互和個性化醫療監控等領域具有潛在的應用前景。

文獻鏈接：Conductive MXene Nanocomposite Organohydrogel for Flexible, Healable, Low‐Temperature Tolerant Strain Sensors（Adv. Funct. Mater.,2019,DOI:10.1002/adfm.201904507）

本文由kv1004供稿。