近年來，導電水凝膠在智能穿戴電子領域引起了廣泛的關注。盡管導電水凝膠目前得到了廣泛的研究，但機械性能（拉伸性能、強度和韌性）和電學性能（導電性、靈敏度和穩(wěn)定性）之間的平衡仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。此外，水凝膠在水中的不良膨脹會造成力學性能和電學性能的喪失，導致其無法在水環(huán)境中實現(xiàn)進一步的應用。因此，設計具有優(yōu)異力學性能、電學性能和抗膨脹的導電水凝膠對水下柔性器件的開發(fā)至關重要。

近期，福州大學賴躍坤教授團隊在Advanced Functional Materials期刊上發(fā)表文章"Flexible MXene-Based Hydrogel Enables Wearable Human-Computer Interaction for Intelligent Underwater Communication and Sensing Rescue"，報道了采用疏水締和方法構建具有優(yōu)異力學性能和電學性能的導電水凝膠。該導電水凝膠由明膠、丙烯酰胺、甲基丙烯酸十八烷基酯、SDS、NaCl和MXene制得，展現(xiàn)出高拉伸性（1224%）、高傳感線性度（R2=0.999）和寬應變范圍（2% ~ 700%）。此外，研究人員進一步通過表面封裝技術，成功在各種液體環(huán)境下實現(xiàn)液下監(jiān)測以及有效的水下信息傳遞，可對潛在危險進行預警。該工作為智能可穿戴傳感器和水下監(jiān)測裝置的設計與構建提供了新的思路（圖1）。

圖1 導電水凝膠的合成示意圖以及用于水下通信和救援預警示意圖

如圖2所示，該水凝膠具有優(yōu)異的力學性能。疏水單體和親水單體通過膠束聚合。聚合物鏈的疏水部分與表面活性劑膠束形成動態(tài)疏水締合，作為物理交聯(lián)中心，進一步提高水凝膠的力學性能。

圖2 力學性能表征

如圖3所示，該導電水凝膠展現(xiàn)出0.999的高線性靈敏度，具有2% ~ 700%的寬應變傳感范圍。在500%應變下進行1200個加載-卸載循環(huán)，顯示出穩(wěn)定的電阻響應性和可重復性。同時也展現(xiàn)出寬范圍的壓力傳感性能。

圖3 傳感性能表征

通過使用PDMS/Triton X-100構建表面防水層，該封裝層展現(xiàn)出優(yōu)異的水下穩(wěn)定性和水下粘附性。通過該封裝層包封的親水水凝膠同樣表現(xiàn)出優(yōu)異的水下抗溶脹性能，該方法為親水性導電水凝膠實現(xiàn)水下傳感提供了一種新的方法（圖4）。

圖4 表面封裝層

由于該復合器件的水下穩(wěn)定性，將其應用于水下通信與運動監(jiān)測。通過定義摩爾斯電碼，可以簡單實現(xiàn)信息傳遞。在水下可以實現(xiàn)彎曲，壓縮等接觸式傳感，也可實現(xiàn)不同環(huán)境下的非接觸式水位檢測（圖5）。

圖5 水下通信與傳感

將水凝膠器件集成到報警系統(tǒng)中，當傳感電流超過設置值時，LED燈開始閃爍并報警。可通過設定水位高度作為報警水位限，當器件與水面高度差超過是設定值時，報警燈開始閃爍，展現(xiàn)出水下預警能力（圖6）。

圖6 水下智能預警系統(tǒng)

福州大學石油化工學院博士生倪藝萌為本論文的第一作者，賴躍坤教授，黃劍瑩教授和蔡偉龍教授為通訊作者。研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金項目、福建省杰出青年自然科學基金項目、福建自然科學基金項目等基金項目的資助。

審核編輯：劉清