近年來，隨著可穿戴式智能電子產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，“有限的柔性”已經(jīng)難以滿足未來發(fā)展的需求，可拉伸性、自修復(fù)性、透明度和高靈敏度等性能愈發(fā)顯得重要。在可拉伸系統(tǒng)的各種應(yīng)用中，溫度檢測(cè)與我們?nèi)粘Ｉ罴敖】滇t(yī)療緊密相關(guān)。水凝膠因其離子導(dǎo)電性、本征可拉伸性、制備簡(jiǎn)易、刺激響應(yīng)性等優(yōu)勢(shì)，已成為當(dāng)前可拉伸電子器件領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但傳統(tǒng)水凝膠的熱穩(wěn)定性差，易脫水和結(jié)冰，使制備的溫度傳感器的穩(wěn)定性較差，溫度檢測(cè)范圍窄，而有機(jī)水凝膠提供了新的解決方案。另外，離子水凝膠的溫敏機(jī)理及性能影響因素尚不清晰，有待系統(tǒng)研究。
早前，吳進(jìn)副教授團(tuán)隊(duì)利用聚丙烯酰胺/卡拉膠雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠中的離子遷移受熱激發(fā)導(dǎo)致其導(dǎo)電性變化的特點(diǎn)，制備了本征高度可拉伸的溫度傳感器。最近，該團(tuán)隊(duì)通過進(jìn)一步探索水凝膠的溶劑環(huán)境對(duì)其溫敏特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)溶劑對(duì)離子水凝膠的溫敏特性具有重要影響。利用溶劑置換策略（圖1），引入保水、抗凍的乙二醇/丙三醇(EG/Gly)溶劑，將傳統(tǒng)以水為溶劑的水凝膠轉(zhuǎn)換為具有水-醇二元溶劑體系的有機(jī)水凝膠，進(jìn)而制備了具有良好熱穩(wěn)定性、自修復(fù)性、超靈敏的可拉伸溫度傳感器。
研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的高溫（如50、70°C）處理，傳統(tǒng)水凝膠早已變得干而硬，而有機(jī)水凝膠在高溫下的熱穩(wěn)定性顯著提升，尤其是經(jīng)丙三醇修飾后的有機(jī)水凝膠，在嚴(yán)酷的環(huán)境條件下能長(zhǎng)期保持其機(jī)械變形性、質(zhì)量和導(dǎo)電性（圖2）。
有機(jī)水凝膠的冰點(diǎn)主要取決于溶劑，由于丙三醇與水分子形成強(qiáng)氫鍵，有效抑制低溫下冰晶的形成，極大降低了有機(jī)水凝膠的冰點(diǎn)(-120°C）。得益于有機(jī)水凝膠中的大量氫鍵和卡拉膠雙螺旋結(jié)構(gòu)的解旋與重構(gòu)，在經(jīng)過簡(jiǎn)單的加熱-冷卻處理后，完全斷裂的凝膠僅需30分鐘便可實(shí)現(xiàn)高效自修復(fù)（圖3）。
水凝膠的溫敏機(jī)理：離子遷移是一個(gè)熱激發(fā)的過程，水凝膠中離子的定向遷移需要跨越高分子鏈的障礙，隨著溫度升高，一方面，離子遷移率增大；另一方面，部分被束縛的離子解離或釋放，導(dǎo)致離子濃度增大，這兩方面的因素共同導(dǎo)致水凝膠的電導(dǎo)隨溫度的升高而增大（圖4）。
通過干燥處理調(diào)控水凝膠的溶劑（水）含量，發(fā)現(xiàn)部分脫水的水凝膠對(duì)溫度響應(yīng)的靈敏度顯著增強(qiáng)，靈敏度從2.95%/°C提升至13.1%/°C。這可解釋為，部分脫水的水凝膠中被束縛的離子比例較高，在溫度升高時(shí)，這些被束縛的離子受熱激發(fā)能夠克服聚合物鏈的障礙而自由移動(dòng)，在宏觀上表現(xiàn)為電導(dǎo)顯著增大（圖5）。
雖然通過改變含水量可調(diào)控水凝膠的熱靈敏度，但水凝膠的熱穩(wěn)定性較差，而有機(jī)水凝膠兼具高靈敏度和熱穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)。通過引入EG/Gly調(diào)控水凝膠的溶劑環(huán)境，增大有機(jī)水凝膠的初始電阻，并顯著提升了溫度檢測(cè)的靈敏度。當(dāng)有機(jī)水凝膠被拉伸至100%時(shí)，其熱靈敏度仍高于10%/°C，而在大幅度彎曲和扭轉(zhuǎn)形變情況下靈敏度的變化幾乎可以忽略不計(jì)。
這項(xiàng)研究首次發(fā)現(xiàn)通過調(diào)控水凝膠的溶劑可大幅度提升水凝膠的溫敏特性，拓展了水凝膠的應(yīng)用范圍，為實(shí)現(xiàn)高靈敏度和熱穩(wěn)定的水凝膠可穿戴電子器件的制備提供了新的策略。
以上成果以題為“Ultrasensitive and Stretchable Temperature Sensor Based on Thermally Stable and Self-Healing Organohydrogels” 發(fā)表在期刊ACS Applied Materials & Interfaces上，第一作者和通訊作者為中山大學(xué)吳進(jìn)副教授。
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金和廣州市科技計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
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