基于响应性水凝胶的智能技术最近在未来工程应用中出现了巨大的前景，如机械传感、软机器人和能量存储，因为它们具有独特的固体状机械弹性和液体-比如运输行为。特别是，基于水凝胶的可穿戴设备可以促进由保形相互作用和高灵敏度介导的独特的类皮肤机械性能。开发基于凝胶的电子产品的关键挑战之一是通过克服其固有的弱点来实现强大的传感性能，例如不必要的膨胀引起的变形、脱水引起的信号失真以及传感信号中的大滞后。
来自西安交通大学和诺森比亚大学的学者通过原位聚合将导电水凝胶/ MXene与脂质凝胶（Lipogel）层封装，提出了一种结构凝胶复合（SGC）方法。疏水性脂凝胶涂层满足SGC在水环境中具有独特的抗膨胀性能，其在露天具有出色的脱水特性，从而能为水下机械测量应用带来长期的稳定性（超过90天）和耐用性（超过2000个测试周期）。因此，基于SGC的机械感受器表现出高而稳定的灵敏度（GF为14.5）。此外，本文还开发了几种基于SGC的具有高灵敏度的概念传感器，以揭示其在水下监测人体运动、防水防伪应用和触觉轨迹跟踪方面的深远潜力。相关文章以“A Structural Gel Composite Enabled Robust Underwater Mechanosensing Strategy with High Sensitivity”标题发表在Advanced Functional Materials。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202201396
图1. 具有坚固界面的结构凝胶复合材料（SGC）的制造。a) 用于合成水凝胶/MXene杂化物 (PAHM) 的单体。b) PAHM 的说明。c) PAHM 表面改性示意图。d) SGC 和 e) Lipogel（具有用于合成 Lipogel 的单体）和 PAHM 之间的界面的图示。f)SGC 和 g) 未经修改的横截面的光学显微图像。
图2. 机械和表面特性的表征。a) 具有不同 L/B 的 SGC 的应力-应变曲线。b) 水凝胶/MXene 和 SGC 的应力-应变曲线。c) SGC 的自我恢复行为。d) 水凝胶/MXene 和 SGC 的溶胀行为。e) SGC浸泡200 h后的应力-应变曲线对比，以及相应的弹性模量( E )、断裂应变(ε)、抗拉强度(σ)和韧性( Γ )的存留率。f)SGC 浸入水中后疏水链积累的示意图。g) 不同 L/B 的 SGC 的 WCA。
图3. 附着力的表征。SGC 在各种基材上的附着力演示：a）在露天 5 小时后和 b）在水下 200 小时后。c) 附着力测试设置情况。d) 对各种基材的粘合强度。e)对玻璃8次循环后的粘合强度。f) 玻璃在空气和水下储存 5 h 后的粘合强度。g) SGC 在各种 L/B 玻璃上的粘附强度。
图4. 机械传感的实现。a) 基于 SGC 的传感器的测量因子。b) 拉伸时 MXene 纳米片的变化示意图。c) 基于SGC的传感器在不同应变下的ΔR/R0。d) SGC 和水凝胶/MXene传感器的响应和恢复时间。e)水凝胶/MXene和SGC在水中浸泡一段时间后的ΔR/R 0。f) SGC 和 g) 水凝胶/MXene 在 100%应变下在露天进行 300 次循环的循环传感测量。h) SGC 在 5% 应变下进行 2000 次水下拉伸循环和 i) 水凝胶/MXene 进行 300次水下拉伸循环的循环传感测量。
图5. 基于 SGC 的水下传感器。应变传感器检测 a) 手指弯曲和 b) 不同程度的肘部弯曲。c) 基于 SGC 的应变传感器在弯曲下的数值建模：表面附着一层 SGC 的梁模型（顶部）；梁弯曲（底部）。d) 弯曲角-阻力响应。e) 脉冲检测器。f) 手写系统示意图。
图6. 水下触觉轨迹跟踪板。a) 4 × 4 SGC 单元阵列示意图。b) 手指运动轨迹图。c) 依次输出对应的ΔR/R 0信号。d) 输出ΔR/R 0幅值的对应映射。
本文描述了一种结构凝胶复合方法，通过在导电水凝胶/Mxene 表面上创建疏水性 Lipogel 薄层，然后开发出一种具有独特防水功能的强大传感策略，可用于水下环境。得益于疏水性 Lipogel 层实现的水隔离功能和 Lipogel/水凝胶界面上的强共价键，SGC 可以在露天和水生环境中具有超稳定性的机械和电气性能。通过在水凝胶/MXene 核心中构建电子传输路径并保留 Lipogel 层中的导电核心，有助于基于 SGC 的传感器实现高的灵敏度（GF 为 14.5），而且基于 SGC 的传感器在实时水下传感应用中显示出巨大的潜力，例如用于医疗保健管理的人体运动检测、具有防水防伪功能的智能书写系统和触觉轨迹跟踪。本文希望这项工作能够为设计和开发未来用于水下或水生环境的基于水凝胶的智能微电子系统提供更多启示。（文：SSC）
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