AFM: 具有可调功能的多反应离子导电藻酸盐/明胶有机水凝胶

兼具可拉伸性和对外部刺激灵敏度的材料是可穿戴电子应用的关键，可促进生物传感、健康监测、光电检测和人体动作识别领域颠覆性技术的出现。导电有机水凝胶因其灵敏度高、制备成本低而备受关注。明胶和海藻酸盐等生物聚合物具有生物相容性和对环境因素的敏感性，为开发响应型可穿戴设备提供了独特的机会。本文介绍了一种可持续的生物启发方法，用于生产藻酸盐明胶有机水凝胶，该方法结合了可见光范围内的透明度、离子传导性、高拉伸性和多反应性。受控藻酸盐与各种金属阳离子（如Mn2+、Cu2+、Fe3+和Zr4+）的交联可调节离子传导性，并对材料的热性能和机械性能进行微调。这些有机水凝胶显示出对温度（从10 度到50 度，灵敏度为0.19 K-1）、相对湿度（从20%到80%，灵敏度为0.022 RH(%)-1）和应变（测量系数大于1.6）的响应能力，从而实现了对环境和生理参数的实时监控。值得注意的是，在可见光下，它们还具有9.2 µA W-1 的光响应性，这在文献中鲜有报道。这些材料易于调整对所选刺激的响应性，而且灵敏度高，为将其应用为可穿戴拉伸传感器开辟了前景。

图文简介

a )多重响应型海藻酸钠/明胶有机水凝胶与金属阳离子( MAlgGel)交联，放置于人体皮肤上的3D动画。该方案展示了MAlgGel作为热传感器、光电探测器、湿度传感器和应变传感器的潜在应用。b ) UV-VIS光谱光谱，c )将制备的MAlgGel样品放置在印刷的ISIS Strasbourg标志顶部的光学图像，d )小角度X射线散射曲线。样品编码：- = Alggel = 黑色；Mn = Mnalggel =粉红色；Cu = Cualggel =蓝色；Fe = Fealggel =红色；Zr = Zralggel = green。为了清晰起见，对SAXS曲线进行了偏移。

a )温度对AlgGel和MAlgGel电导率的影响，b )电导率的相对变化。相对湿度对AlgGel和MAlgGel电阻率的影响c )电阻率和d )电阻率的相对变化。对每个样品进行了三个不同批次的测量，在制造和温、湿度灵敏度方面显示出优异的可重复性。

a ) MnAlgGel和AlgGel对白光LED的光响应。插图显示MAlgGel光电探测器的侧视图。b ) Al (蓝色方块)，Au (黑色)，Cu (红色)和MnAlgGel (粉色)的次级电子截止。c )通道长度为3 cm的MnAlgGel光电探测器的电流-电压特性，接收的光子集中在局部区域：水凝胶的中心(位置A )和金属/水凝胶界面(位置B )。d ) MnAlgGel/Cu界面的能带图。e )通道长度为1 cm的MnAlgGel和AlgGel光电探测器的时间分辨光响应。f )归一化IPhoto对MAlgGel的时间曲线。本实验中所有LED照射区域均固定为半径为1 cm的圆形。

a )使用两个铜电极连接的样品的实验装置的照片。b ) AlgGel (黑色)，MnAlgGel (粉色)，CuAlgGel (蓝色)，FeAlgGel (红色)和ZrAlgGel (绿色)的应力-应变曲线和c ) ΔR/R0-应变曲线。手指弯曲步骤的图像用于d )应变传感测试和e )相关的电响应。

论文信息

通讯作者：Massimo Bonini, Paolo Samorì