宁波大学翁更生：动态协调控制自供电聚合物水凝胶的多刺激响应

【摘要】

新型自供电水凝胶可以响应周围环境的多重刺激可逆地改变电信号，这对于下一代智能传感设备的开发很有吸引力。最近，宁波大学翁更生副教授团队报道了一种新设计的自供电金属水凝胶，该凝胶具有快速自愈、可逆凝胶-溶胶转变和多刺激响应性。

水凝胶通过动态金属-丙氨酸（M-Ala）配位交联。通过组装含铜和锌的水凝胶，以铜电极为阴极，锌电极为阳极，制造出响应多种刺激而发出电信号的自供电水凝胶。能够改变 Ala 配体的结合亲和力（例如，加热、pH 和水分）或交换/替换 Ala 配体（例如，螯合剂）的外部刺激可用于调整输出电信号。该自供电设计策略在一个多刺激响应软传感器中结合了多刺激响应性、灵活性和自供电功能。它还避免了在传感设备中集成电源过程中的高温和能源密集型过程。这项作为概念验证的工作为制造具有多刺激响应能力的自供电软生物医学和可穿戴设备铺平了道路。相关论文以题为Dynamic coordination of metal–alanine to control the multi-stimuli responsiveness of self-powered polymer hydrogels发表在《Journal of Materials Chemistry A》上。

【主图导读】

图 1 (a) 方案显示了 P(DMA-co-AlaHPMA) 网络中作为物理交联的 Ala 和 Cu2+ 离子的配位。（b）显示Cu-Ala响应多重刺激的解离和重组的图片。

图 2 (a) 流变测量显示储能模量 (G') 和损耗模量 (G'') 与频率的关系图。（b）G' 和损耗因子（tan δ）在 10 Hz 的频率下与 Cu : Ala 作图。(c) P(DMA-co-AlaHPMA)水溶液通过各种金属离子与Ala的配位而凝胶化。

图3 (a) G'和G''来自含Cu水凝胶的连续应变扫描，在1 Hz的振荡频率下交替经受小振荡应变（2％）和大振荡应变（500％）。(b) 显示两片含铜水凝胶在 23 分钟内自愈的图像。(c) 连续应变扫描下的流变学结果显示了含锌水凝胶的 G' 和 G'' 的变化。(d) 说明含铜水凝胶（蓝色）和含锌水凝胶（无色）自愈的图像。

图 4 (a) 将含铜和锌的水凝胶与夹在两个水凝胶之间的 Nafion 膜组装在一起。(b) 使用 Cu 金属电极作为阴极，Zn 作为阳极，设计了一个 Cu-Zn 原电池。(c) 电压和功率密度与电流密度的关系图。(d) 最大功率密度和短路电流与 Cu : Ala 比率作图。(e) 以 1 mA cm-2 的放电电流对 Cu-Zn 原电池进行放电。(f) 作为 Cu : Ala 比率函数的放电时间。

图 5 (a) Cu-Zn 原电池的温度响应性。（a）图像显示加热/冷却切换时含铜水凝胶的可逆溶胶-凝胶转变。(b) G' 和 G'' 来自温度扫描的含铜水凝胶，频率为 1 Hz。(c) 加热含铜水凝胶时，Cu-Zn 原电池的电流密度与温度的关系图。（d）交替进行加热（80°C）/冷却循环时电流密度的周期性变化。

图 6 (a) 图像显示了在交替添加 HCl/NaOH 后含铜水凝胶的可逆溶胶-凝胶转变和颜色变化。(b) 不同 H+ 浓度下含铜水凝胶的紫外可见光谱。(c) 在 1 mA cm-2的恒定电流密度下绘制的电压与 H+浓度的关系图。(d) 交替滴定 HCl/NaOH 的 Cu-Zn 原水凝胶电池的周期性电压变化。

图 7 (a) 螯合剂 l-苯基甘氨醇 (Phg) 对 Cu-Zn 原电池电压的影响。(b) 当交替添加相同摩尔量的 Phg 和Cu(NO3)2时，Cu-Zn 原电池电压的循环变化。

图 8 P(DMA-co-AlaHPMA)/PDMA IPN 水凝胶的拉伸测试。（a和b）含Cu（a）和含Zn（b）IPN水凝胶的应力-应变曲线。（c）Cu-Zn原电池的应力-应变曲线。三个测试样品的照片图像作为（a-c）中的插图给出。(d) 图像显示了 Cu-Zn 原电池的拉伸过程。

图 9 (a) IPN 结构的 Cu-Zn 原电池的电压和功率密度与电流密度的关系图。(b) 具有 IPN 结构的 Cu-Zn 原电池以 1 mA cm-2 的放电电流放电。(c) 一个 LED 由三个串联的 Cu-Zn 原电池连续点亮。(d)串联连接的 Cu-Zn 原电池可用作柔软且可变形的电池。

图 10 (a) 脱水的含铜和锌的 IPN 水凝胶组装为双层结构的聚合物片。在相对湿度 (RH) 为 80% (b) 和饱和水蒸气 (c) 的情况下，在聚合物片的吸水过程中，Cu-Zn 原电池的水含量和 OCV 随时间绘制。(d) 当交替施加饱和水蒸气和干燥 N2 气体时，Cu-Zn 原电池的 OCV 的可逆变化。

参考文献：

doi.org/10.1039/D1TA03836B

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