北京林业大学马明国教授《ACS AMI》：多功能MXene导电两性离子水凝胶应用于柔性可穿戴传感器阵列

近年来，受人类皮肤的启发，具有可拉伸性、导电性、灵活性和触觉感应能力的柔性电子传感器因其在电子皮肤应用、人机交互、个性化医疗检测和软机器人等多个领域改变人类生活方式的潜力而受到更多关注。柔性电子传感器的关键问题在于提高工作寿命，拓宽应用条件，以及优化电气性能的集成。尽管在过去的几十年里，基于导电水凝胶的柔性可穿戴电子设备已经被开发出来，但它们的实际应用由于不稳定、脆弱、粘附性差、机械强度低和工作寿命短而受到严重阻碍。此外，以水为溶剂的传统水凝胶不可避免地在低温下冻结，即使在室温下水也会蒸发，导致机械、电气和传感性能下降，以及缩短工作时间和使用寿命。

鉴于此，北京林业大学马明国教授团队报道了一种具有高导电性、防冻性和保形黏附的两性离子水凝胶，通过自催化增强系统可以在一分钟内成胶。单宁酸包覆的CNF上的儿茶酚基和Zn2+之间的氧化还原反应可以激发APS产生自由基，结合Zn2+和MXene上的氧基的相互作用，引发了AM和SBMA共聚物的快速聚合，有效抑制MXene纳米片的堆积和氧化，具备优异的导电性（20℃时为30 mS cm-1）和机械性能（0.311 MPa，970%的应变）。两性离子基团、儿茶酚基团和聚合物基底之间的氢键和分子间的相互作用，以及Zn2+的存在赋予了导电水凝胶良好的保水性、宽的工作温度范围和良好的低温附着力（30 kPa）。这些性能使得两性离子水凝胶可以作为柔性可穿戴传感器，用于人体运动监测、手写和语音识别。此外，将多个柔性传感器组成三维阵列，可用于监测力或应变的空间分布和大小。两性离子水凝胶在健康检测、人机交互、柔性可穿戴传感器等领域具有潜在应用前景。

相关工作以“Multifunctional MXene Conductive Zwitterionic Hydrogel for Flexible Wearable Sensors and Arrays”为题发表在工程技术领域国际期刊ACS Applied Materials & Interfaces (10.1021/acsami.3c03919)上。论文的第一作者为北京林业大学材料科学与技术学院博士研究生郭文艳，通讯作者为北京林业大学材料科学与技术学院马明国教授。该研究工作得到了国家重点研发计划项目和北京林业大学杰出青年人才培养计划项目的资助。

图1. 论文图形摘要

图2. 两性离子水凝胶的力学性能

图3. 两性离子水凝胶的黏附性能

图4. 两性离子水凝胶的电气性能

图5. 两性离子水凝胶用于柔性传感器

图6. 两性离子水凝胶用于阵列

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