双网络 (DN) 水凝胶集成了长链和短链分子结构，由于其出色的机械性能，在可穿戴传感器中表现出巨大的潜力。然而，传统的水凝胶往往存在导电性差和灵敏度低的问题。在本研究中，我们开发了一种新型 DN 水凝胶（由聚丙烯酰胺/海藻酸钠组成），它封装了 MXene (Ti3C2Tx) 和液态金属 (LM)。这种配置利用了嵌入在 DN 水凝胶网络中的二维 MXene 和零维液态金属的导电性能。Ti3C2Tx MXene 薄片通过充当导电桥来增强与 LM 的结合能力，从而改善界面相互作用并减少滞后。由这种复合 DN 水凝胶制成的应变传感器具有高灵敏度（应变系数高达 12.84）、宽检测范围（0/%-1500/%）、快速响应时间（262/ms）以及出色的重复性和稳定性。我们将这种应变传感器集成到可穿戴柔性设备中，例如隐形眼镜，从而能够实时监测人体生理压力。
 
 
图 1. PSML水凝胶传感器的结构和表征。（A）PSML水凝胶传感器的应用。（B）鲟鱼的捕食方式。（C）PSML水凝胶的结构。（D）PSML水凝胶的制备过程。（E）MXene的TEM表征。（F）LM和MXene的TEM表征。（G）LM和PAC的TEM表征。（H）PSML水凝胶的扫描电子显微镜（SEM）。（I）PSML水凝胶和PAM/SA-Ca水凝胶的XRD表征。（J）PSML水凝胶和PAM/SA-Ca水凝胶的傅里叶变换红外光谱（FT-IR）表征。（K）PSML水凝胶和PAM/SA-Ca水凝胶的拉曼光谱表征。
 
 
图 2. PSML 水凝胶的机械性能测试。（A）PAM/SA-Ca、PSM 和 PSML 水凝胶的拉伸性能比较。（B）PAM/SA-Ca、PSM 和 PSML 水凝胶的韧性和弹性模量。（C）PSML 水凝胶在 100%-400% 拉伸应变下的恢复率。（D）PSML 水凝胶在 100% 拉伸应变下的 10 次循环。（E）PAM/SA-Ca、PSM 和 PSML 水凝胶的压缩性能。（F）PSML 水凝胶在 20%-80% 应变下的机械性能。
 
 
图3. PSML水凝胶的电性能测试。（A）100%拉伸应力下PAM/SA-Ca、PSM和PSML水凝胶的电阻变化率。（B）、（C）20%-400%拉伸应力下PSML水凝胶的电阻变化率。（D）不同频率下PSML水凝胶的电阻变化率。（E）PSML水凝胶的响应时间。（F）PSML水凝胶的灵敏度-应变图。（G）500次循环后PSML水凝胶的电阻变化。（H）与其他文献的拉伸性能和灵敏度的比较。
 
 
图 4. PSML 水凝胶的应用。PSML 水凝胶传感器放置在 (A) 手指、(B) 手腕、(C) 肘部，用于人体运动测量。(D) 描绘了无线数据传输系统。(E) PSML 水凝胶作为带有传感单元的隐形眼镜。(F) (H) 中所示测试的示意图。(G) PSML 水凝胶作为带有传感单元的隐形眼镜，放置在隔离眼球上进行性能测试。
 
 
 
图 5. PSML应变传感器的传感机理。（A）PSML水凝胶拉伸过程中MXene与LM之间的位置关系变化及相应的电阻变化。（B）PSML水凝胶压缩过程中的变化及相应的电阻变化。（C）LM与MXene之间的距离变化与电子迁移之间的关系。
 
       相关科研成果由太原理工大学Min Zhao，Weiyi Chen， Xiaona Li， Zhipeng Gao等人于2024年发表在Chemical Engineering Journal（https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156884）上。原文：Double network hydrogel confined MXene/Liquid metal by dynamic hydrogen bond for high-performance wearable sensors
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156884

转自《石墨烯研究》公众号