導電水凝膠具有優异的力學延展性和高導電性，在柔性可穿戴電子、仿生設備等領域已展現出巨大的潜在應用前景。不過，該類水凝膠資料用於應變傳感仍需滿足以下基本要求：（i）提供對應變變化的快速、可靠的實时訊號響應（高穩定導電率），（ii）在各種條件下（例如，寒冷或炎熱的環境下結冰或脫水現象）的可靠性，（iii）能够在外力變形期間保持資料的結構穩定性，即優异的力學性能，（iv）與不同基材具有很强的粘合性，無需額外的粘合劑。然而，現時導電水凝膠體系仍存在一些缺點，包括結構穩定性差（機械強度和柔韌性低）、含水量高（抗凍性和抗脫水性差）、與基材的自粘性弱，這些因素極大地限制了該類水凝膠資料在複雜環境條件下的潜在應變監測應用。囙此，通過一種簡單的策略，開發寬溫適用、機械可靠、自粘性和導電水凝膠資料勢在必行，但也極具有挑戰性。
日前，杭州師範大學湯龍程研究員（通訊作者）聯合浙江農林大學厲世能博士（第一作者和通訊作者）實現了在水-甘油混合溶劑體系中引人低含量Ti3C2Tx-MXene並結合“一鍋法”自由基聚合反應快速（~10min）製備得到耐高低溫、力學彈性、自粘附MXene/聚丙烯醯胺-co-丙烯酸/殼聚糖導電水凝膠（PACG-M）。研究發現：低含量（0.1–0.3 wt%）MXene可以顯著促進聚合物分子的快速凝膠化（~10min）。含有0.2 wt%MXene的優化水凝膠不僅具有優异的機械效能（～1000%的斷裂伸長率）和優异的導電性（~1.34 S/m），但也表現出穩定的耐溫性−20至80◦C和與各種基材（如鋼、玻璃、橡膠、塑膠和皮膚）的自粘附性，以及快速自愈合特性（~1.3秒）。此外，這種MXene基水凝膠在不同的應變（1–600%）和應力（80–3200 Pa）範圍內表現出良好電阻響應，對各種變形條件具有良好的適用性（拉伸/彎曲/壓縮）和廣泛的溫度適應能力以及穩定的重複性。可見，該多功能MXene基納米複合水凝膠為應變傳感應用的發展具有重要的指導意義。該研究以題為“Environmentally stable，mechanically flexible，self-adhesive，and electrically conductive Ti3C2Tx MXene hydrogels for wide-temperature strain sensing”的論文發表在最新一期《Nano Energy》上。
【MXene誘導的PACG-M水凝膠快速製備】
這項工作中水凝膠資料的快速凝膠化的主要原因是：MXene極性基團與聚合物分子間會發生複雜物理/化學相互作用，產生大量熱量從而誘導引發劑的分解產生自由基，最終實現自由基聚合反應。通過紅外熱成像科技，可以觀測到室溫下PACG-M體系熱量的快速提升與擴散，進一步驗證了上述結論。
圖1.PACG-M水凝膠的製備示意圖及快速凝膠化過程
圖2.PACG-M水凝膠的宏觀力學行為與微觀結構
此外，MXene表面化學基團可以與體系各組分間形成多重相互作用：氫鍵、共價鍵、物理纏結等，囙此能促進緻密且穩固聚合物網絡的形成。研究者利用FTIR、XPS、SEM等測試手段對體系內部結構與化學變化進行了表徵，其結果很好地佐證了這一點。
【PACG-M水凝膠力學性能】
其次，研究者對納米複合水凝膠的力學性能進行了定量表徵和分析，結果顯示：通過調節體系中各組分的比例可顯著提升水凝膠力學性能且能實現參數間的均衡，這與體系內所構建的多重相互作用密不可分。優化的PACG-M水凝膠的拉伸强度、斷裂伸長率和斷裂功分別可達120.4 kPa、918%、和590.0 kJ·m-3。同時，該複合水凝膠還展現出優异的壓縮效能，包括穩定的迴圈效能與自回復行為（45分鐘內回復率為93.5%）。
圖3.PACG-M水凝膠的力學性能優化
【PACG-M水凝膠的自修複性和自粘性的研究】
除了出色的力學性能之外，PACG-M水凝膠還具有出眾的自修複性，在無外加作用下切斷後的水凝膠能在較短時間內（~1.32s）進行自修復行為，其導電率也能基本恢復至初始狀態。在閉合回路中，切斷後的水凝膠在重新接觸後能迅速粘接在一起且能使熄滅的LED燈恢復工作。更重要的是，即使PACG-M水凝膠發生一定的拉伸形變，LED燈的亮度幾乎沒有發生變化，這表明了其出色的自修複性與導電穩定能。此外，PACG-M水凝膠與多種基材（如鋼、玻璃、橡膠、塑膠和皮膚）間均展現出良好的粘附性，且高低溫處理後該效能依然能得以保持。
圖4.PACG-M水凝膠的自修復和自粘效能
【PACG-M水凝膠的高低溫耐受效能】
由於水-甘油雙溶劑體系的運用，PACG-M水凝膠還被賦予了一定的耐溫效能（即抗凍和耐高溫性）：在經歷低溫（-20℃）或高溫（80℃）長時間（15天）處理後，該水凝膠依然能保持優异的力學柔韌性，克服了傳統水凝膠的結冰和脫水現象，也為導電水凝膠在高低溫複雜環境下的長期使用提供了效能基礎。
圖5.不同溫度下PACG-M水凝膠的宏觀行為、保水和力學性能
【PACG-M水凝膠基應變感測器的應用】
基於上述優异的綜合效能，PACG-M導電水凝膠有望用於應變傳感探測。研究結果表明：該應變感測器不僅具有較寬的應變（1~600%）和應力（80~3200Pa）分辨範圍，而且對複雜形變（如人體的肢體運動）也能作出良好的響應並保持穩定的迴圈效能；同時，該水凝膠在高低溫環境中（-20~80℃）也能保持出色的監測效能。
圖6.PACG-M水凝膠的應變傳感效能
總結：作者採用Ti3C2Tx-MXene作為自由基聚合誘導劑，通過“一鍋法”自由基聚合反應實現了一種兼具力學、高低溫耐受、自粘和導電的多功能MXene基納米複合水凝膠的快速製備；同時，這種多功能水凝膠還展示出複雜環境下優异的應變探測響應，推動了導電水凝膠在新興柔性電子領域中的潜在應用。
原文連結：
“Environmentally stable，mechanically flexible，self-adhesive，and electrically conductive Ti3C2Tx MXene hydrogels for wide-temperature strain sensing”
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106502
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