柔性MXene水凝胶实现可穿戴人机交互

近年来，导电水凝胶在智能穿戴电子领域引起了广泛的关注。尽管导电水凝胶目前得到了广泛的研究，但机械性能（拉伸性能、强度和韧性）和电学性能（导电性、灵敏度和稳定性）之间的平衡仍然面临巨大挑战。此外，水凝胶在水中的不良膨胀会造成力学性能和电学性能的丧失，导致其无法在水环境中实现进一步的应用。因此，设计具有优异力学性能、电学性能和抗膨胀的导电水凝胶对水下柔性器件的开发至关重要。

近期，福州大学赖跃坤教授团队在Advanced Functional Materials期刊上发表文章"Flexible MXene-Based Hydrogel Enables Wearable Human-Computer Interaction for Intelligent Underwater Communication and Sensing Rescue"，报道了采用疏水缔和方法构建具有优异力学性能和电学性能的导电水凝胶。该导电水凝胶由明胶、丙烯酰胺、甲基丙烯酸十八烷基酯、SDS、NaCl和MXene制得，展现出高拉伸性（1224%）、高传感线性度（R²=0.999）和宽应变范围（2% ~ 700%）。此外，研究人员进一步通过表面封装技术，成功在各种液体环境下实现液下监测以及有效的水下信息传递，可对潜在危险进行预警。该工作为智能可穿戴传感器和水下监测装置的设计与构建提供了新的思路（图1）。

图1 导电水凝胶的合成示意图以及用于水下通信和救援预警示意图  

如图2所示，该水凝胶具有优异的力学性能。疏水单体和亲水单体通过胶束聚合。聚合物链的疏水部分与表面活性剂胶束形成动态疏水缔合，作为物理交联中心，进一步提高水凝胶的力学性能。

图2 力学性能表征  

如图3所示，该导电水凝胶展现出0.999的高线性灵敏度，具有2% ~ 700%的宽应变传感范围。在500%应变下进行1200个加载-卸载循环，显示出稳定的电阻响应性和可重复性。同时也展现出宽范围的压力传感性能。

图3 传感性能表征  

通过使用PDMS/Triton X-100构建表面防水层，该封装层展现出优异的水下稳定性和水下粘附性。通过该封装层包封的亲水水凝胶同样表现出优异的水下抗溶胀性能，该方法为亲水性导电水凝胶实现水下传感提供了一种新的方法（图4）。

图4 表面封装层  

由于该复合器件的水下稳定性，将其应用于水下通信与运动监测。通过定义摩尔斯电码，可以简单实现信息传递。在水下可以实现弯曲，压缩等接触式传感，也可实现不同环境下的非接触式水位检测（图5）。

图5 水下通信与传感  

将水凝胶器件集成到报警系统中，当传感电流超过设置值时，LED灯开始闪烁并报警。可通过设定水位高度作为报警水位限，当器件与水面高度差超过是设定值时，报警灯开始闪烁，展现出水下预警能力（图6）。

图6 水下智能预警系统  

福州大学石油化工学院博士生倪艺萌为本论文的第一作者，赖跃坤教授，黄剑莹教授和蔡伟龙教授为通讯作者。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、福建省杰出青年自然科学基金项目、福建自然科学基金项目等基金项目的资助。

审核编辑：刘清