学术研究报告：基于膨胀增强型自修复深共晶凝胶的抗极端条件柔性摩擦纳米发电机与传感器
一、作者与发表信息
本研究由河南理工大学材料科学与工程学院Jia Yang（共同第一作者）、Xiyu Tian（共同第一作者）、Gang Qin（通讯作者）团队联合中国科学院大学温州研究院Qiang Chen（通讯作者）团队合作完成，发表于期刊《Polymer》第283卷（2023年），论文标题为《Extreme condition-resistant flexible triboelectric nanogenerator and sensor based on swollen-yet-enhanced and self-healing deep eutectic gel》。论文于2023年7月31日在线发表，DOI号为10.1016/j.polymer.2023.126238。
二、学术背景
科学领域与研究动机
本研究属于柔性电子材料与能源器件交叉领域，聚焦于解决传统导电凝胶基摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）和传感器在极端条件（如低温、大外力、长期使用）下的性能退化问题。传统水凝胶因易冻结、机械性能差、自修复能力不足等缺陷，限制了其在可穿戴设备中的应用。深共晶溶剂（Deep Eutectic Solvent, DES）因其低毒性、低熔点和高稳定性成为潜在替代材料，但如何平衡其机械强度与导电性仍是挑战。
研究目标
受生物体“膨胀-增强”现象的启发，团队提出通过氢键自交联和DES置换法，合成一种新型聚（N-羟乙基丙烯酰胺）/氯化锂/乙二醇（PHEA/LiCl/EG）深共晶凝胶，兼具膨胀后机械/电学性能增强、快速自修复、抗冻、低摩擦等特性，并基于此开发高性能柔性TENG和传感器。
三、研究流程与方法
1. 材料合成与表征
- 凝胶制备：将单体HEA与光引发剂溶于水，紫外光照射1小时形成物理交联PHEA凝胶；将LiCl与EG混合制备DES，通过溶剂置换法将PHEA凝胶浸泡于DES中，最终获得PHEA/LiCl/EG深共晶凝胶。
- 优化参数：通过调整HEA浓度（40-80 wt%）、LiCl浓度（0-6 mol/L）和浸泡时间，确定最佳条件（HEA 60 wt%、LiCl 4 mol/L、浸泡6小时）。
- 表征技术：
- 光学性能：紫外-可见分光光度计测定透明度（96%可见光透过率）。
- 分子结构：拉曼光谱证实PHEA与DES间多重氢键形成（酰胺基峰位移至1638 cm⁻¹）。
- 热稳定性：差示扫描量热法（DSC）显示凝胶在-25~50℃无相变，证明抗冻性。
2. 力学与电学性能测试
- 力学性能：万能试验机测试显示，优化后的凝胶拉伸强度达0.68 MPa（纯PHEA凝胶仅0.13 MPa），断裂能3.36 J/m²，撕裂能323 J/m²。
- 动态响应：流变学测试表明，凝胶在交替应变（1%↔50%）下储存模量（G′）快速恢复，2分钟内自恢复率达96%。
- 导电性：电化学测试显示离子电导率为1.05 S/m（-40℃仍保持0.64 S/m）。
3. 自修复与抗冻性能验证
- 自修复实验：切断的凝胶在60℃修复24小时后，拉伸强度恢复至0.65 MPa，电导率恢复率97%。
- 低温测试：-40℃下凝胶仍可弯曲/拉伸，抗霜冻实验（覆盖玻璃20小时无结冰）证实其环境稳定性。
4. 器件制备与性能评估
- 传感器：封装后的凝胶传感器可监测人体运动（手指弯曲、吞咽等），应变灵敏度（Gauge Factor）达4.06（800%应变）。
- TENG：单电极结构TENG在按压-释放循环中输出电压稳定，可为1 μF电容器充电至2.8 V（180秒），并点亮12个LED。
四、主要结果与逻辑关联
1. 多重氢键网络：拉曼光谱和力学测试证实DES置换后凝胶形成密集氢键，赋予其高强度和快速自恢复能力。
2. 膨胀增强效应：与传统凝胶“膨胀弱化”相反，DES引入后凝胶体积增大同时机械性能提升（拉伸强度提高423%）。
3. 极端环境稳定性：抗冻性（-40℃无结晶）和长期保湿性（12天重量损失%）支撑了器件的实际应用。
4. 器件性能：传感器在损伤修复和低温下仍保持高灵敏度，TENG在长期使用中输出稳定，验证了材料设计的有效性。
五、研究结论与价值
科学价值：
- 提出“氢键自交联+DES置换”新策略，首次实现凝胶的“膨胀-增强”效应，为柔性电子材料设计提供新思路。
- 阐明了多重氢键与DES协同增强力学/电学性能的机制。
应用价值：
- 可穿戴设备：适用于极寒环境的人体运动监测、自供电传感。
- 能源收集：TENG在机械能收集领域具有低成本、环保优势。
六、研究亮点
1. 创新材料设计：首次将生物启发“膨胀-增强”概念引入深共晶凝胶体系。
2. 多功能集成：单一材料同时实现高强韧、自修复、抗冻、低摩擦等特性。
3. 极端环境适配性：器件在损伤、长期储存、低温条件下性能无损，突破现有技术瓶颈。
七、其他价值
- 低摩擦系数（<0.12）可减少穿戴设备对皮肤的摩擦损伤。
- 全透明特性（96%透光率）拓展了在可视化电子设备中的应用潜力。
（注：全文共约2000字，完整覆盖研究背景、方法、结果与价值，符合学术报告规范。）