导电的MXene纳米复合油水凝胶用于柔性、可修复和可低温工作的应变传感器

由于导电水凝胶在可穿戴的应变传感器、电子皮肤和个性化医疗监控等领域具有巨大的应用潜力而引起了研究人员极大的兴趣。然而，一般的导电水凝胶以水作为分散介质，在零度以下不可避免会冻结，导致其导电性和机械性能变差。同时，室温下这种水凝胶里的水由于蒸发而不可避免会变少，导致其保湿性能欠佳。

【成果简介】

德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授和北京化工大学的万鹏博教授（共同通讯作者）等人通过将MXene纳米复合水凝胶(MNH)浸泡在乙二醇(EG)溶液中，用乙二醇溶液来代替水凝胶中的一部分水分子，制备了防冻的、自修复的和导电的MXene纳米复合油水凝胶(MNOH)。MNH是通过将导电的MXene纳米片引入水凝胶来制备的。MNOH能在−40 °C的低温下不冻结，能连续8天处于湿润状态，具有出色的自修复能力和力学性能。而且，它能组装成可穿戴的应变传感器，在极端低温下以相对宽的应变范围（高达350%的应变）和高应变系数（44.85）监测人类生理活动。上述成果于近日发表在Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图1.

a.MNOH的制备示意图

b.剥离出的MXene纳米片的SEM图

c,d.冻干的MNH的SEM图

图2.

a.在EG中不同浸泡时间对MNOH抗冻性能的影响

b.不同浸泡时间对应的MNOH和MNOH内EG（插图）的质量变化

c.MNOH和MNH的耐低温行为

图3.MNOH的持久保湿性能

a.在20℃、50%RH的环境中储存了8天的MNH和MNOH的对比

b.浸泡了不同时间后储存在20℃、50%RH环境中的MNOH的质量变化

图4.

a.MNOH的自修复行为，其中图i为原来的状态，图ii为完全分割的状态，图iii为成功自修复的状态，图iv为成功自修复后拉伸的状态

b.MNOH自修复过程中电阻的变化

c.由MNOH和LED指示灯组成的电路，其中图i为原来的状态，图ii为完全分割的状态，图iii为成功自修复的状态，图 (iv–vi)分别为图i、ii和iii的示意图

图5.

a.低温下MNOH或者MNH与LED指示灯组成的电路

b.不同应变下的MNOH传感器的相对电阻变化

c.小应变下的MNOH传感器的相对电阻变化

d.大应变下的MNOH传感器的相对电阻变化

e.在-40℃的低温下储存了6小时的MNOH传感器对手指弯曲响应所产生的相对电阻的变化

f.在-40℃的低温下储存了6小时的MNOH传感器对吞咽唾液响应所产生的相对电阻的变化

【小结】

研究团队用乙二醇溶液代替MNH中的一部分水分子，制备了MNOH，并用MNOH组装成了柔性、可修复和耐低温的应变传感器。MNOH中水分子和乙二醇分子之间的大量氢键阻止了MNOH的冻结和水分的蒸发。因此，MNOH在-40℃的低温下具有柔性，以及具有稳定的室温保湿性。此外，MNOH内的动态化学键和超分子相互作用赋予了MNOH的自修复能力。应变传感器能无线监测人类活动，其应变系数为44.85，应变范围高达350%。这项工作在电子皮肤、人机交互和个性化医疗监控等领域具有潜在的应用前景。

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

消息源：材料牛