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  目前，可穿戴電子器件的蓬勃發展，其性能要求已經從柔性提高到可拉伸性、自修復性和透明性。濕度是和我們的健康和日常舒適度緊密相關的重要變量，但在可拉伸傳感系統中鮮有研究報道。相比傳統的納米材料或復雜的微加工結構，尋求本征可拉伸的材料無疑是一大突破口。水凝膠因具備超強拉伸性，體系豐富，生物兼容性好和制備成本低等天然優勢，已經成為可拉伸電子器件領域的研究熱點，但一直受到易失水的問題困擾，水凝膠基電子器件的長期使用穩定性是目前亟需解決的重要難題。

  中山大學吳進副教授團隊利用水凝膠易失水導致其導電性變化的特點，制備了本征高度可拉伸的濕度傳感器。利用溶劑置換策略，在水凝膠中引入保水、抗凍的乙二醇/丙三醇，將已合成的水凝膠轉換為有機水凝膠，形成具有水-醇二元溶劑體系的聚丙烯酰胺/卡拉膠雙網絡有機水凝膠，賦予水凝膠傳感器抗干燥特性，有效地解決了水凝膠失水變干的問題，延長器件的使用壽命和拓展器件的使用環境。另外，利用乙二醇/丙三醇分子上大量的羥基與水分子之間形成氫鍵，促進空氣中的水分子在水凝膠上的吸附和凝結，大幅度提高了濕度傳感器的靈敏度。

圖1. 溶液置換法制備乙二醇/丙三醇-雙網絡有機水凝膠，并利用多元醇醇與水分子形成的氫鍵作用提高水凝膠的保濕性和濕度檢測的靈敏度

圖2.有機水凝膠的透明性、自修復性、拉伸性

  聚丙烯酰胺/卡拉膠雙網絡水凝膠本身具備高度透明性，通過醇溶液置換后，透明度沒有明顯的退化；但力學強度得到加強；得益于卡拉膠雙螺旋結構的解旋與重組，在完全斷裂的情況下，一小時的加熱保存即可得到修復后的水凝膠；此外該體系的雙網絡水凝膠具備超強的拉伸性，承受1225%拉伸應變仍未斷裂。

圖3.乙二醇/丙三醇修飾水凝膠前后抗干燥對比

  未修飾的水凝膠一天內就失水變干，失去導電性。經過乙二醇/丙三醇修飾的水凝膠在40℃55%相對濕度的環境中放置50小時仍保持良好的柔性和拉伸性。經過一系列溫度梯度、濕度梯度環境測試，修飾后的水凝膠仍具備導電性。通過對比研究發現，在溫和（常溫、高濕）的環境條件下，乙二醇修飾的水凝膠的保濕性較好；而在harsh的環境下（高溫、干燥），丙三醇修飾的水凝膠的保濕性較好。

圖4.水凝膠濕度傳感器響應、應用和機理

  乙二醇、丙三醇的引入極大提高了水凝膠濕度傳感器的靈敏度，靈敏度提高了近40倍，檢測范圍寬（4%~90%RH），響應時間和恢復時間快達0.27s和0.30s,且長時間（一個月的）使用能維持性能穩定。因為響應速度極快，濕度傳感器可用于連續監測人體呼吸頻率，用于人體健康監測。

  首次揭示了水凝膠濕度傳感器的檢測機理：聚合物鏈對離子運動的阻礙作用，聚合物鏈間隙中的自由水分子提供離子運輸通道，環境濕度變化引起水凝膠聚合物鏈密度、通道容積變化，從而影響離子運輸速度，導致電導率變化。本研究拓展了水凝膠的應用范圍，為實現更加舒適、高性能的可穿戴電子器件提供了新的材料選擇。

  以上成果以題為“An intrinsically stretchable humidity sensor based on anti-drying, self-healing and transparent organohydrogels” 發表在期刊Materials Horizons上，本文的第一作者和通訊作者為中山大學吳進副教授。

  該研究工作得到了國家自然科學基金、廣東省自然科學基金和廣州市科技計劃等項目的資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1039/C8MH01160E