环境耐受型多功能离子导电共晶水凝胶用于自供电可穿戴柔性传感器的研究

一、研究团队与发表信息
本研究由Xiaoliang Zou、Xuechuan Wang（通讯作者）、Zhongxue Bai等来自陕西科技大学（Shaanxi University of Science & Technology）生物资源化学与材料工程学院及国家轻化工实验教学示范中心的团队完成，成果发表于《Chemical Engineering Journal》期刊2023年463卷，论文标题为“Environment-tolerant versatile ion-conductive eutectic hydrogels for self-powered wearable flexible sensors”。

二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于柔性电子与功能材料领域，聚焦于导电水凝胶（Conductive Hydrogels, CHs）在可穿戴传感器中的应用。
研究背景：传统导电水凝胶存在低温易冻结、空气中易脱水的问题，导致其电导率和机械性能下降，且依赖外部电源，限制了在极端环境（如极寒、干燥）下的应用。此外，现有传感器多功能集成度低，难以同时响应湿度、应变等多种刺激。
研究目标：开发一种兼具环境耐受性（抗冻、抗脱水）、自供电能力和多刺激响应性的离子导电共晶水凝胶（GAAD），并构建基于锌铜原电池结构的自供电传感器（GAADB），实现极端环境下人体生理信号的实时监测。

三、研究流程与方法
1. 水凝胶设计与制备
- 材料体系：以明胶（Gelatin, Gel）、丙烯酰胺（Acrylamide, AAM）、丙烯酸（Acrylic Acid, AAC）为聚合物骨架，引入硫酸铵（Ammonium Sulfate, AMS）和深共晶溶剂（Deep Eutectic Solvent, DES，由甜菜碱与乙二醇按1:3摩尔比配制）作为抗冻/保湿组分。
- 制备步骤：
（1）通过紫外光引发自由基聚合形成物理-化学双交联网络；
（2）通过溶剂置换法将水凝胶浸入DES中，形成DES-水二元溶剂体系（GAADxDy，x为AMS浓度，y为浸泡时间）。
- 创新方法：DES溶剂交换策略通过氢键网络调控“自由水”与“结合水”比例，显著降低冻结温度。

1. 性能表征

   • 力学性能：通过万能试验机测试拉伸/压缩性能（应变速率50 mm/min），GAAD0.1D1在-20℃下断裂应力提升至200.35 kPa（室温下139.19 kPa）。
     
   • 电学性能：电化学阻抗谱（EIS）显示，DES浸泡后水凝胶电阻从120 Ω（GAAD0.1）增至335.7 Ω（GAAD0.1D1），但低温下仍保持0.022 S/m的离子电导率。
     
   • 环境耐受性：差示扫描量热法（DSC）证实无相变温度，-20℃存放48小时后无冰晶形成；透光率超80%（500 nm波长），6天后保水率60%。
     

2. 传感器构建与应用验证

   • 自供电传感器（GAADB）：以GAAD为电解质，锌/铜箔为电极，封装后形成柔性原电池（开路电压0.92 V）。
     
   • 多刺激响应测试：
     
     • 应变传感：监测关节运动（手腕、手指），应变灵敏度（Gauge Factor）达2.04（应变200%-600%）；
       
     • 湿度传感：基于电极电位差机制，响应/恢复时间秒（-20℃），用于呼吸监测；
       
     • 低温稳定性：-20℃下48小时后仍可驱动LED并实现压力分布检测（5×5阵列传感器）。
       

四、主要研究结果
1. 抗冻与抗脱水性能：DES的引入通过氢键抑制水分子结晶，GAAD0.1D1在-20℃下保持柔性，而传统水凝胶（GAAD0.1）则脆化。
2. 力学与电学协同优化：AMS通过Hofmeister效应提升网络密度，断裂应变达962%（-20℃），但过高浓度（>0.5 mol/L）导致塑性化。
3. 自供电与多模态传感：GAADB无需外接电源即可输出稳定电压，并同步响应应变（ΔR/R0与形变线性相关）和湿度（呼气时电压下降20%）。
4. 实际应用验证：成功监测睡眠呼吸（喉部振动）、脉搏（径向动脉）及运动（膝关节弯曲），低温环境下性能无衰减。

五、结论与价值
科学价值：
- 提出DES-水二元溶剂体系的设计原则，解决了水凝胶环境耐受性的关键难题；
- 揭示了离子导电网络与多刺激响应的构效关系，为多功能集成传感器提供新范式。
应用价值：
- GAADB在呼吸诊断、电子皮肤、极地/高原健康监测等领域具潜力；
- 自供电设计推动可穿戴设备的微型化与低功耗化。

六、研究亮点
1. 材料创新：首次将DES溶剂交换策略应用于水凝胶，实现抗冻（-20℃）、抗脱水、高透明的协同优化。
2. 器件创新：基于原电池结构的自供电传感器，突破传统依赖外部电源的限制。
3. 性能突破：湿度响应速度（秒）和低温稳定性（-20℃下48小时）优于同类报道（如MOFs、GO基传感器）。

七、其他发现
- 粘附性能：GAAD0.1D1对皮肤/织物的粘附强度达4.5 kPa，且无残留；
- 自修复能力：断裂后电阻恢复率>90%，支持长期使用。

（全文共约2000字）