摘要：能源环境领域对可持续发展的追求，以及智能可穿戴传感技术的革新，都对功能材料的研究开发提出了更多要求。分子设计已成为优化材料特性、实现功能整合的核心策略之一。天然高分子卡拉胶具有良好的生物相容性与可再生性，可作为绿色基体材料，但可加工性差与机械强度不足的问题，限
能源环境领域对可持续发展的追求，以及智能可穿戴传感技术的革新，都对功能材料的研究开发提出了更多要求。分子设计已成为优化材料特性、实现功能整合的核心策略之一。天然高分子卡拉胶具有良好的生物相容性与可再生性，可作为绿色基体材料，但可加工性差与机械强度不足的问题，限制了其进一步开发应用。
近期，康复大学康复科学与工程学院贺金涛/杨大鹏通过分子设计调控𝜅-卡拉胶分子间相互作用，显著降低其溶胶–凝胶转变温度，从而赋予材料优异的可加工性和增强的机械特性。该改性策略能高效固定盐离子，使材料具备良好的大气水收集能力和稳定的湿气发电性能。基于此开发出了自供电智能传感器，可实时监测呼吸状态、感知压力变化，并对非接触动作做出快速响应。该项研究构建了集成化材料设计框架，为绿色能源技术与个性化健康监测的创新提供了新路径。
通过引入带正电的季铵基团，使得𝜅-卡拉胶的溶解温度显著降低，这可以实现蛋白质、酶或热敏性药物与𝜅-卡拉胶的有效复合，从而避免高温带来的结构性破坏。特别地，这种改性能够显著降低卡拉胶的溶胶–凝胶临界转变温度，实现灵活的可加工性，并能够显著改善机械性能，增强柔韧性。另一方面，带有两性离子基团的卡拉胶（QKC）通过聚合物链上的官能团与盐离子的配位实现了对吸湿盐的有效锁定，降低了盐泄露的风险。
图1. 分子工程化卡拉胶及其应用示意图
图2 . QKC的性质和吸湿性能
基于QKC制备了AWH器件，并在25℃的动态RH条件下，评估了其水蒸气吸附行为。在相对湿度为90%的条件下，QKC基凝胶最大水蒸气吸收量为2.1 g g−1 。基于此，进一步设计了湿气发电器件，QLMEG在90%湿度下可以实现0.92 V的开路电压。器件串联后电压可达12.3 V，可以为小型电子设备供电。图3 . QLMEG器件的湿气发电性能
QLMEG在健康监测中具有显著优势，其能够直接利用环境湿度变化进行自供电。在不同的呼吸频率下，QLMEG能够实时显示电信号。在快速呼吸时，QLMEG展现了快速的电压响应，而慢速呼吸的电压响应相对缓慢。利用这一特性，可以通过电信号响应来判断不同的呼吸状态，并实时记录运动和静息状态下的呼吸频率。QLMEG对不同压力也可以表现出电压信号响应特性，当施加压力时，器件的电压立即发生变化，当压力撤去后，初始电压恢复。此外，QLMEG器件还具有非接触传感的能力，当测试者慢速走向QLMEG传感器时，其电压发生了小幅度的变化。随着走进速度的增大，其电压响应变化也逐渐增大。
图4 . QLMEG器件的自供电传感器应用
这些应用研究展示了卡拉胶基功能材料良好的应用潜力，有利于推动其在健康监测、能源利用及环境科学领域的开发应用。
原文链接：
N. Li, X. Yu, D.-P. Yang, J. He, Molecularly Engineered Quaternizedκ-Carrageenan: a Multifunctional Platform for Atmospheric Water Harvesting, Moisture-Electricity Generation, and Self-powered Wearable Sensors. Adv. Funct. Mater. 2025, e02668.
来源：高分子科学前沿一点号1