基于溶胀增强型深共晶凝胶的极端环境耐受性柔性摩擦纳米发电机与传感器研究

一、作者与发表信息
本研究由Jia Yang（河南理工大学材料科学与工程学院/Aeolus轮胎有限公司）、Xiyu Tian、Jiacheng Fan等共同完成，通讯作者为Gang Qin（河南理工大学）和Qiang Chen（中国科学院大学温州研究院）。研究成果发表于Polymer期刊（2023年7月31日在线发表，卷283，文章编号126238）。

二、学术背景
柔性摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）和传感器在可穿戴电子领域具有重要应用潜力，但传统导电凝胶在极端条件（如高负载、低温、损伤）下性能显著下降。现有研究面临以下挑战：
1. 力学与电导率的平衡难题：高机械性能与高导电性难以兼得；
2. 环境稳定性不足：长期使用中因水分蒸发或机械疲劳导致性能退化；
3. 自修复与耐低温缺陷：损伤后功能丧失，低温下柔性及导电性急剧下降。

受生物体“溶胀同时增强”现象启发，本研究提出通过氢键自交联和深共晶溶剂（Deep Eutectic Solvent, DES）置换策略，开发了一种新型聚(N-羟乙基丙烯酰胺)/氯化锂/乙二醇（PHEA/LiCl/EG）深共晶凝胶，兼具溶胀增强行为、快速自修复、耐低温及低摩擦特性，为极端环境下的可穿戴电子设备提供了创新解决方案。

三、研究流程与方法
1. 材料合成
- 步骤1：PHEA物理凝胶制备
将N-羟乙基丙烯酰胺（HEA）单体与光引发剂溶于去离子水，紫外光（365 nm，8 W）辐照1小时，通过氢键自交联形成三维网络结构。
- 步骤2：深共晶溶剂（DES）配制
将LiCl与EG在50°C下搅拌2小时，形成氢键受体-供体复合物。
- 步骤3：溶剂置换与凝胶增强
将PHEA凝胶浸入DES中6小时，通过溶剂置换引入LiCl/EG，形成多重氢键强化的PHEA/LiCl/EG深共晶凝胶。优化条件：HEA浓度60 wt%，LiCl浓度4 mol/L。

1. 表征与性能测试

   • 光学与结构分析：紫外-可见光谱（透明度>96%）、拉曼光谱（证实氢键相互作用）；
     
   • 流变学测试：动态应变交替实验（1%与50%应变）验证自恢复性；
     
   • 力学性能：拉伸测试（强度0.68 MPa，断裂能3.36 J/m²）、撕裂实验（能量323 J/m²）；
     
   • 电学与传感性能：电导率测试（1.05 S/m）、应变传感（灵敏度因子4.06@800%应变）；
     
   • 极端环境测试：-40°C低温力学/电学稳定性、自修复效率（24小时修复后导电恢复率97%）。
     

2. TENG与传感器构建

   • 单电极TENG：以硅橡胶为摩擦层，深共晶凝胶为电极层，通过接触分离机制收集机械能（输出电压2.8 V@1 μF电容）；
     
   • 柔性传感器：封装于硅橡胶中，监测人体运动（如手指弯曲、吞咽等生理信号）。
     

四、主要研究结果
1. 溶胀增强效应
DES置换后凝胶体积膨胀，但力学性能显著提升（拉伸强度较纯PHEA凝胶提高423%），归因于LiCl与EG协同形成的多重氢键网络。

1. 自修复与自恢复性

   • 自修复：60°C修复24小时后，拉伸强度恢复至0.65 MPa；
     
   • 快速自恢复：2分钟内耗散能恢复率96%，归因于动态氢键重构。
     

2. 耐低温性能
   DSC显示无相变峰（-25~50°C），-40°C下电导率保持0.64 S/m，传感器仍可稳定监测手指弯曲。

3. TENG能量收集
   在-40°C或长期储存（12天）后，TENG仍能点亮12颗LED，并实现自供电笔迹识别（输出电压与接触质量线性相关）。

五、结论与价值
1. 科学价值
- 提出“溶胀增强”凝胶设计新范式，通过DES置换平衡力学与电学性能；
- 阐明多重氢键动态网络对自修复、抗疲劳的调控机制。

1. 应用价值
   
   • 为极端环境（极寒、高负载）下的可穿戴设备提供高性能材料；
     
   • 自供电传感器在人体运动监测、人机交互领域具产业化潜力。
     

六、研究亮点
1. 创新材料设计：首例报道溶胀同时增强力学/电学性能的深共晶凝胶；
2. 极端环境耐受性：-40°C下保持柔性，12天长期稳定性（重量损失%）；
3. 多功能集成：单材料同时实现能量收集、传感、自修复三重功能。

七、其他发现
凝胶表面低摩擦系数（<0.12）可减少穿戴设备与皮肤摩擦，提升舒适性。

（全文约2000字）