小色网 深研院孟鸿课题组开采了可确立和多种环境适用的凝胶并应用于无离子露馅风险的离电传感器

水凝胶材料是结束柔性/可拉伸电子器件应用的候选材料之一，具有生物相容性小色网，优异拉伸性等优点。但由于含水量存在环境踏实性差的问题，即低温下冻结，干燥环境下失水，高湿度下吸水推广。添加有机溶剂不错提高抗冻和保水才智，然而当今的商酌多聚焦于添加宽绰甘油使得水凝胶在低温和干燥环境下使用，却忽略了此时高湿度下水凝胶的使用问题。另一方面，传感器是水凝胶的遑急应用标的。其中，离电型传感器因为贤惠度高，抗过问才智强等优点在连年来备受心理。然而当今用于该类型传感器的材料存在离子露馅，以及受湿气度影响较大的过失。

图1 基于內盐型凝胶的离电型传感器无离子露馅的风险。经绿色溶剂改性水凝胶介电层，传感器可于高温、雨天、低温等环境使用

针对以上问题，近日，北大深圳商酌生院新材料学院孟鸿课题组在外洋着名期刊Advanced Materials上发表题为“Wide Humidity Range Applicable， Anti-Freezing and Healable Zwitterionic Hydrogels for Ion-Leakage-Free Iontronic Sensors”的商酌论文（DOI: 10.1002/adma.202211617）。该商酌在內盐型DMAPS水凝胶中加入了一种绿色溶剂——丙酮缩甘油（solketal），在较宽的湿度鸿沟下，solketal水凝胶的水含量和机械性能踏实性方面优于最常用的溶剂——甘油。此外，收货于solketal的存在，一种疏水性的低聚物液体（PPG）不错被引入，以进一步窜改水凝胶的特点。所得的水凝胶在湿度为30%至90%RH和温度为-20至40°C的鸿沟内结束了约2000%的断裂应变，并具有邃密的自愈性。讹诈水凝胶中的两性离子基团和踏实的水含量，优化后的水凝胶被用作电介质层来构建一个离子型压力传感器，结束了无泄露离子、高贤惠度（>1100kPa-1）、平凡的湿度和温度适用性。商酌东谈主员通过将水凝胶基底与Ag@poly（DMAPS）浆料积贮会，获得宽湿度的可愈合和可拉伸电极，并将高性能的电极和电介质层整合在一谈，开采了一个全器件可愈合的高贤惠度传感器。

通过对含四种不同有机高沸点溶剂的聚DMAPS水凝胶进行对比分析，商酌东谈主员发现了含有solketal的水凝胶在多种环境下具备最优异的踏实性和可用性，颠倒是含量达21% vol.的情况下，水凝胶在湿气和干燥环境下王人具有一致的断裂伸长率（约1200%）。同期，由于solketal的专有特点，不错在不添加名义活性剂和小分子电解质的情况下加入疏水的PPG，在水凝胶里面引入疏水胶束结构进一步提高性能，优化后的DS21P2水凝胶在宽湿度和温度条目下王人展现出优异的力学性能和可自愈性。

图2 聚（DMAPS）水凝胶的优化与性能表征

商酌东谈主员将solketal与当今最常用的甘油比拟较，发现solketal水凝胶在宽湿度鸿沟内展现出更好的含水量和性能踏实性。给与MD和DFT计较进行了原表露释，发现环境水分变化时，solketal分子聚会的H2O分子数变化更少。这是因为，solketal-H2O体系对第2个H2O分子的聚会能更低，这意味着solketal分子不太可能失去第2个H2O分子；solketal-H2O体系对第4和第5个配位的H2O分子的聚会能更高，标记着在高湿度下集聚会更少的H2O分子。因此，solketal水凝胶浮现更好的环境踏实性。

图3 含甘油或solketal的水凝胶性能比较及分子表面计较表征

离电型传感器主若是讹诈EDL的超等电容特点来结束高贤惠度等特点。由于DS21P2水凝胶团聚物链上有很多锚定在团聚物链上的两性离子基团，且或者在平凡的湿度水平上含有相对踏实的水含量，是以或者产生丰富的解放离子，与电极造成EDL，因此将其双面微结构化后动作传感器的介电层。所得器件在多种环境条目下展现出优异的性能（贤惠度均>1100 kPa-1），更遑急的是具备离子安全性，在浸泡24小时后性能毫无衰减。

图4 DS21P2水凝胶应用于离电型传感器：旨趣及性能表征

商酌东谈主员为了结束器件的可拉伸性和自愈性，将DS21P2水凝胶动作基底制备了高性能且可自愈的可拉伸电极。将电极与水凝胶介电层集成，获得可拉伸的高性能传感器。由于水凝胶的自愈性，该器件可径直率领在东谈主体上，在50%应变下仍有反馈。更遑急的是，该器件的每一部分王人可结束快速的自愈合，在实际使用中具有专有上风。

图5 可拉伸可自愈传感器性能及率领时的自愈合展示

孟鸿和张超红商酌员为该论文共同通信作家，新材料学院2020级硕士生赵怡茜为论文的第一作家。上述商酌获得国度当然科学基金委员会小色网，广东省基础与应用基础商酌基金委员会，深圳市科技革命委员会的支柱。

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