坚韧且高灵敏度液态石墨烯复合水凝胶，具有应变和光热响应性能

摘要：随着人工智能的飞速发展，基于导电水凝胶的柔性可穿戴传感器备受关注。然而，传统的水凝胶通常使用有毒的交联剂，通过形成三维网络结构来达到理想的拉伸强度。这阻碍了它们在可穿戴传感器中的潜在应用。本文，中北大学李洁教授团队在《ACS Appl. Polym. Mate

1成果简介

随着人工智能的飞速发展，基于导电水凝胶的柔性可穿戴传感器备受关注。然而，传统的水凝胶通常使用有毒的交联剂，通过形成三维网络结构来达到理想的拉伸强度。这阻碍了它们在可穿戴传感器中的潜在应用。本文，中北大学李洁教授团队在《ACS Appl. Polym. Mater》期刊发表名为“A tough and Highly Sensitive Liquid Metal-Reduced Graphene Oxide Composite Hydrogel with Strain and Photothermal Response Performance”的论文，研究提出了一种构建纯物理交联液态金属还原氧化石墨烯（GO）复合水凝胶的方法，完全不含有毒交联剂。

结果表明，这种水凝胶具有出色的可拉伸性能（应变：348.22%，应力：4.239 兆帕）。通过优化水凝胶的结构设计，获得了良好的灵敏度系数：最佳规整系数 = 20.2（0-100% 应变，R2 = 0.98）和较宽的光热响应范围（808-850 纳米）。此外，还加入了还原型 GO@液态金属颗粒（rGO@LM），增强了光热响应能力和应变传感性能。这项工作为开发具有高灵敏度和多功能响应性的导电水凝胶提供了一条途径，在运动检测和温度监测传感器方面具有广阔的应用前景。

2图文导读

图1.PHLR 水凝胶制备的示意图。

图2.（a）LM@GO 粒子的 TEM 图像。（b） LM核涂层 rGO 壳层的 TEM 和 HR-TEM 图像。rGO@LM颗粒的 SEM 图像（c）比例尺：10 μm，（d）比例尺：1 μm。（e） PH 水凝胶的横截面。（f） PHLR-60 水凝胶的横截面。（g-k）PHLR-60 水凝胶的 C、N、O、Ga和 In 元件的 EDS 映射。（l） PHLR-80 水凝胶的横截面。

图3、 (a) FT-IR spectra of the PHG hydrogel and PHLR-60 hydrogel. (b) FT-IR spectra of the PH hydrogel and PHLR-60 hydrogel. (c) XRD spectra of LM@GO powder and R60 powder. (d) XRD spectra of PHLR-60 and PHLR-80. (e) Raman spectra of the R60 powder, LM@GO powder, PHLR-60 hydrogel, and PHG hydrogel. (f) ID/IG ratio of the R60 powder, LM@GO powder, PHLR-60 hydrogel, and PHG hydrogel.

图4. (a) Stretchability of hydrogels. (b) Tensile loading–unloading tests of the PHLR-60 hydrogel at different setting strains. (c) Hysteresis values at different strains. (d) Young’s modulus and toughness of hydrogels. (e) Continuous 10 stretchable cycles of the PHLR-60 hydrogel under 200% strain. (f) Continuous 6 compressive cycles of PHLR-60 hydrogel under 80% strain.

图5、 (a) Hydrogel access circuit lights a small bulb. (b) Current change during hydrogel electro self-healing. (c) Conductivity of hydrogels.

图6. Signal monitoring of the PHLR-60 hydrogel when (a) finger bending (attaching to the inside of the finger), smiling, and chewing, (b) wrist bending, knee bending, and walking, and (c) pressing. (d) Resistance response of the hydrogel when touching tip and circle of scissors. (e) Photograph of the different positions of loads. (f–h) Signal monitoring of object placing position by making a 4 × 4 array of the hydrogel electrode.

图7.水凝胶的光热响应特性。

图8.PHLR 水凝胶的可能传感增强机制。

3小结

利用冻融成型法成功制备了物理交联双网络压阻水凝胶。这种水凝胶具有出色的机械性能、快速响应特性和高灵敏度系数（GF = 20.2）。此外，它还具有出色的光热响应特性，是一种适用于各种应用的多功能材料。水凝胶的独特性能为开发具有多种传感功能的应变传感器提供了一种前景广阔的方法，可应用于多个领域。总之，这种物理交联双网络压阻水凝胶为传感和互动技术领域带来了令人兴奋的可能性，为开发先进的多功能材料以应用于各种实际领域提供了途径。

文献：