四川大学冉蓉：耐用+环保！近红外激光“可焊接”氢键水凝胶传感器

作为一种柔性导电材料，导电水凝胶在传感器材料领域得到了广泛的研究。然而，对高强度导电凝胶材料的可回收性和可修复性的研究还不够。最近，四川大学科研团队合成了 N-丙烯酰甘氨酰胺单体，并进一步合成了氢键水凝胶，配合光热剂，以甘油和水为混合溶剂，获得了具有良好机械性能的混合凝胶。拉伸应变达到436%，应力达到0.728 MPa。凝胶电导率达到0.026 S/m，其灵敏准确的应力电导率变化可以满足可穿戴设备等一些传感器材料的要求，良好的保湿和抗冻性能保证了长期稳定使用。

最重要的是，复合凝胶可以通过简单的加热和室温下的简单冷却多次回收和重塑，显示出良好的可回收性和重复使用性。最有趣的是，由于加入了光热剂，复合凝胶表现出良好的光热性能。因此，凝胶的温度在近红外激光照射下迅速上升到凝胶-溶胶转变温度，凝胶在室温下迅速愈合。因此，凝胶表现出独特而有效的“可焊性”。良好的热和光热回收/修复能力可以大大扩展凝胶材料的可用性，不仅增加了材料的耐用性，还减少了聚合物材料的浪费，从而达到保护环境和可持续发展的目的。

图 1 . (a) NAGA 和聚合物的分子结构。(b) 氢键交联凝胶网络在加热下被破坏的图像和示意图。

图 2 . (a) PNAGA 水凝胶和 PNAGA-NP 凝胶的单轴拉伸曲线，(b) 由拉伸曲线计算的韧性和弹性模量，(c) PNAGA-NPs-20 凝胶的加载-卸载拉伸曲线，(d ) 耗散能量和比率，根据磁滞回线；PNAGA-NP 凝胶的照片：(e) 打结和拉伸，(f) 悬挂 1 kg 重物，以及 (g) 抗穿刺性

图 3 . (a) 复合凝胶的相对电阻变化率随拉伸而变化，(b) 短时间内重复拉伸至 200%，(c) 不同伸长率的阶梯拉伸；凝胶应变传感器检测人体在不同运动下的信号：（d）肘部弯曲和（e）膝盖弯曲；（f）冷冻后凝胶的图像，（f1）PNAGA-NPs-20复合凝胶和（f2）PNAGA-20水凝胶，（g）低温拉伸曲线，以及（h）电导率随时间的变化 凝胶从冰箱转移到室温。

图 4 . (a) 室温下质量比随时间的变化，(b) 模拟阳光下的凝胶图像 (b1)、红外图像 (b2) 和照射 3 分钟后凝胶的温度 (b3) , (c) 凝胶在模拟阳光下的加热曲线，(d) 模拟阳光下质量比随时间的变化，以及 (e) 加热下质量比随时间的变化。

图 5 . (a) PNAGA-NPs-10 复合凝胶加热形成溶胶并在室温下恢复为凝胶；凝胶字母是通过加热重塑获得的。(b) PNAGA-NPs-10和PNAGA-NPs-20复合凝胶的G′(实心)和G″(开路)随温度升高，(c)近红外激光下的红外图像，(d)拉伸愈合 凝胶。(e) 凝胶字母通过近红外激光“焊接”在一起，拉伸凝胶字母，并悬挂铁夹。

图 6. 不同直径的光热“焊接”PNAGA-NPs-20 圆柱形凝胶样条的拉伸应力-应变曲线：(a) 2 mm 直径，(b) 6 mm 直径，(c) 9 mm 直径，和 (d ) 12 毫米直径；(e) 直径-激光照射“焊接”时间-愈合效率曲线，(f) 不同直径凝胶“焊接”部位的横截面图片 。

相关论文以题为 Near-Infrared Laser “Weldable” Hydrogen-Bonded Hydrogel Sensor Based on Photothermal Gel–Sol Transition 发表在《 ACS Sustainable Chem. Eng. 》上。 通讯作者 是 四川大学 冉蓉教授 。

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