《AFM》用于精确皮肤运动监测的基于嵌段共聚物的超分子离子凝胶

2021-06-14 21:40:03 水凝胶

【科研摘要】

近年来,人们对可穿戴和可拉伸的皮肤运动传感器的兴趣迅速增长。为了扩大其适用性,传感元件必须准确检测外部刺激;然而,传感器对目标物体的弱粘附性一直是开发这种实用且通用的设备的主要挑战。

最近, 仁荷大学 Myungwoong Kim 和 Keun Hyung Lee 教授 团队 展示了 独立的、可拉伸的和自粘的离子凝胶导体,它们由缔合聚合物网络和离子液体组成,即使在动态运动期间也能实现传感器和皮肤之间的保形接触。 离子凝胶网络由两种二嵌段共聚物的非共价结合形成,其中相分离的胶束簇通过电晕嵌段之间的氢键相互连接。 由此产生的离子凝胶表现出优异的粘合特性,包括 93.3 N m -1 的非常高的剥离力 ,以及优异的弹性(断裂应变≈ 720%)、韧性(≈2479 kJ m -3 )、热稳定性( ≈150 °C)和高离子电导率(≈17.8 mS cm − 1 at 150 ° C)。 这些粘性离子凝胶已成功应用于可拉伸的皮肤应变传感器作为传感元件。由此产生的设备可以准确地监测手腕、手指、脚踝和颈部等身体部位的运动,同时保持与皮肤的密切接触,这在以前使用传统的非粘性离子凝胶是不可能的。 相关论文以题为 Block Copolymer-Based Supramolecular Ionogels for Accurate On-Skin Motion Monitoring 发表在《 A dvanced Functional Materials 》上。

【主图导读】

图1 a) 网络聚合物的化学结构(poly(tBS-block-(HS-random-MA) or PSHM and poly(tBS-block-(2VP-random-MA) or PSVM))和 [EMI][TFSI] IL 使用 获得自粘 APN 离子凝胶。b) 胶束簇通过链间氢键结合形成的离子凝胶示意图。c) 照片显示独立的 HV12 离子凝胶具有出色的拉伸性。

图2 a,b) ATR-FTIR 光谱和 c) 具有不同 PSHM 和 PSVM 浓度比的离子凝胶的 SAXS 模式和拟合结果(实线)。

图3 离子凝胶的电子和机械表征结果。 a) 具有不同 PSHM 和 PSVM 比率的 APN 离子凝胶(插图:离子凝胶电容器的横截面示意图)和 b) 在不同温度下的 HV12 凝胶的平均比电容(黑色)和离子电导率(红色)。c) 应力-应变曲线(插图:照片显示加载在 UTM 中的离子凝胶)和 d) 提取具有不同比例的两种 BCP 的离子凝胶的韧性值。

图4 离子凝胶粘附性测试结果。 a) 分别在水平和垂直方向拉动附着的 PI 膜获得的离子凝胶的平均剪切应力(黑色)和剥离力(红色),b) 用不同基材测量的平均剪切应力,以及 c) 照片显示 HV12 凝胶对不同表面的强附着力,即玻璃(小瓶)、塑料(小瓶盖)、木材(杯盖)、纸 (一次性杯子)、金属(银环)和橡胶(气球)。

图5 应变敏感离子凝胶在机械刺激下引起电阻变化。 a) 使用绿色 LED 和 HV12 凝胶的电路,显示了 LED 光强度的变化,以响应施加到离子凝胶的应变。b) ∆ R/R0 作为从 HV12 离子凝胶传感器收集的应用应变数据的函数。c) HV12 离子凝胶传感器(样品长度:30 mm)的响应时间测量,拉伸速度为 50 mm s -1 时应变为 50%。d) 在六种不同菌株(10%、20%、40%、60%、80% 和 100%)下收集的 ∆ R/R 0 值和 e) 使用自制离子凝胶从离子凝胶传感器记录的 ∆ R/R 0 值。f) HV12 凝胶传感器在不同温度、100% 应变下退火后收集的相对电阻数据。

图6 照片显示 a) HV12 凝胶的自粘性质,在剥离时没有任何残留物和 b) HV12 凝胶与人体皮肤的保形接触(常规离子凝胶由 [EMI][TFSI] 中的 P(VDF-HFP) 聚合物组成) 显示接触不良)。从具有 c) 粘性 HV12 和 d) 非粘性 P(VDF-HFP) 离子凝胶附着在手腕上的离子皮肤收集的 ∆ R/R 0 数据离子皮肤的不同粘附特性。APN 离子皮肤 的 ∆ R/R 0 数据,连接到 e) 手指、f) 脚踝 和 g) 颈部在不同的动态运动中。

参考文献 :

doi.org/10.1002/adfm.202102386

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