应变响应高分子凝胶作为一类可模拟人类皮肤感应外界温度、应变、压力等变化的智能聚合物材料，可以在受到外界刺激时将其转化为相应的电信号。由于具有良好的韧性、生物相容性和导电性，应变响应高分子凝胶在柔性传感器、可穿戴电子设备和软体机器人等领域有着广泛的应用。尤其是具有自愈合性能的水凝胶可通过内部重建动态相互作用来恢复材料原有的物理化学性质，极大地扩展了应用领域。为了应变响应高分子凝胶的环境友好性，人们将目光投向了天然高分子材料，但天然高分子应变响应凝胶性能与实际应用相距甚远，无法满足实际应用。为了提高响应性能，人们常常具有良好导电性能的无机纳米粒子混入有机高分子体系。然而由于无机材料与有机材料间本质上的差异，相容性和分散性会出现问题，导致材料性能不稳定。近期，海南大学材料科学与工程学院卢凌彬教授课题组通过“预配位”策略设计了一条基于自然资源的途径，开发了一种双机制驱动的应变响应高分子水凝胶。该水凝胶具有良好的自愈合性能和高灵敏的应变响应性。
图1 CMC/PDA@Fe3+水凝胶形成机理
在这项工作，首先利用金属离子与多巴胺之间的配位反应进行三价铁离子与多巴胺的预配位，解决金属离子的分散均匀性和稳定性问题，然后再通过引发羧甲基纤维素上羧基与多巴胺上的氨基发生酰胺化反应，从而利用简单的两步法成功构建CMC/PDA@Fe3+高分子水凝胶。在这一策略中，巧妙地把Fe3+作为“桥梁”，利用其本身优良的导电特性，把各种优异的性能集合在一种材料中。依赖于这一策略，CMC/PDA@Fe3+水凝胶内部同时拥有动态共价键（可逆金属配位键）和非共价键（酰胺键之间的氢键），这种双机制驱动作用保障了材料的优异自愈合性能（图2）。
图2 CMC/PDA@Fe3+水凝胶的自愈合性能
CMC/PDA@Fe3+水凝胶具有良好的拉伸和压缩性能，不仅可以进行反复拉伸而不断裂，还可以在压缩后恢复原来的形状（图3）。这归因于水凝胶内部Fe3+-O配位键和酰胺基团间氢键的双机制驱动作用。CMC/PDA@Fe3+水凝胶可以牢牢地粘附在人体皮肤、塑料、玻璃、纸、树叶和木材的表面（图4a），甚至在水下CMC/PDA@Fe3+水凝胶同样拥有突出的粘附性能，可实现对金属和高分子材料的有效粘附（图4b）。
图3 (a) CMC/PDA@Fe3+水凝胶反复拉伸照片；(b) CMC/PDA@Fe3+水凝胶反复压缩照片
图4 (a) CMC/PDA@Fe3+水凝胶粘附在皮肤、塑料、玻璃、纸、树叶和木材上；(b) CMC/PDA@Fe3+水凝胶在水中8h后依然可以粘附起500g的重物
理想的柔性传感器还应拥有出色的自修复性。如图5a所示，将水凝胶和电源、二极管接在一起，二极管可以稳定的发光。水凝胶被切开后，二极管熄灭，将切开的部分连接3h后，再次接在二极管上，二极管重新亮起来了且亮度无明显变化。从图5b中可以看到，水凝胶被拉伸至原来的200%后，二极管的亮度变暗，这说明水凝胶对形态变化拥有很高的敏感性。
图5 (a) 完整、切开、自愈合后的水凝胶点亮二极管的照片；(b) 反复拉伸水凝胶后二极管的亮度变化照片
图6 (a) CMC/PDA@Fe3+水凝胶被组装成一个传感装置实时监测人体运动，手腕弯曲(a1)，手指弯曲(a2)，手肘弯曲(a3)，跑步(a4)的相对电阻变化；(b) 水凝胶检测喉咙发声的相对电阻变化.沉默(b1)，说“ni hao”(b2)，说“hello”(b3)，说26个英文字母(b4)；(c) 水凝胶检测脉搏的相对电阻变化 (c1) 平静状态下，(c2) 运动状态下
该水凝胶对应变具有极高的响应敏感性，能够连续监测和鉴别各种不同的人体运动。水凝胶粘附在人体不同部位，可以收集到人体相应部位的规律动作特征信号（图6），从大的跑步运动到小的脉搏振动，甚至不同发音时喉咙振动的细微差别都可以被检测到。这种多功能的环境友好型水凝胶在下一代仿生皮肤、柔性传感器、软体机器人中有着巨大的应用潜力。
以上相关成果发表在Chemistry of Materials上，是团队关于环境友好型智能水凝胶的最新进展。论文第一作者为我校材料科学与工程学院硕士生王聪聪，通讯作者为我校卢凌彬教授。
全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c03330
