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  導電水凝膠（CH）結是近年來柔性電子材料研究的熱門方向之一。出色的物理化學特性（例如可拉伸性和高電導率）使其在柔性應變傳感器和可拉伸摩擦電納米發電機（TENG）的相關研究中受到重視。然而，以水為分散介質的CH在環境中面臨著凍結與失水的難題，大大限制了其應用范圍。為此，鄭州大學申長雨院士、劉春太教授團隊與北京化工大學萬鵬博教授合作將自由基聚合合成的聚丙烯酰胺/蒙脫土/碳納米管水凝膠中的部分水通過甘油置換，制備了一種具有環境耐受性且可拉伸的有機導電水凝膠。這種有機水凝膠表現出出色的溫度耐受性（-60至60 °C）、良好的穩定性（在正常環境下為30天）以及優異的應變傳感性能，可以有效地檢測和區分在各種條件下的人體活動。此外，該有機水凝膠可以組裝成單電極TENG，即使在500％應變下仍顯示出穩定的能量收集能力，并且在寒冷條件下也可以直接為可穿戴電子設備供電。

圖1. 耐受極端環境的MMCOH的制備與結構

  本工作基于簡單的溶劑替換策略，通過將自由基聚合合成的聚丙烯酰胺/蒙脫土/碳納米管（CNT）水凝膠浸泡在丙三醇中，水凝膠中的部分水替換成甘油，制備了環境耐受性的有機水凝膠MMCOH（圖1）。MMCOH顯示出優異的抗凍和抗干燥性能。

圖2. MMCOH作為耐環境應變傳感材料

  MMCOH作為可穿戴應變傳感材料可以在超寬的工作應變范圍（0-4196%）內具有高的靈敏度（圖2a）。如圖2b所示，這種應變-電阻效應歸因于在變形過程中3D網絡結構中相鄰CNT間電子傳輸的變化以及用于離子傳導的多孔微結構的變化。該有機水凝膠用作應變傳感器具有優異的響應穩定性以及良好的耐受極端環境特性。基于MMCOH的傳感材料在惡劣條件下表現出優異的傳感特性使其可作為可穿戴應變傳感器用以檢測復雜的人體運動。該研究將有機水凝膠基傳感材料組裝成5×5的傳感陣列，研究了其在人造電子皮膚方面的應用（圖3），該工作在電子皮膚和人機交互方面有良好的應用前景。

圖3.人體運動檢測

  作者采用聚氨酯薄膜作為接觸摩擦材料層，MMCOH作為電極層，構造了一種三明治結構的抗凍和抗干燥有機水凝膠基TENG（AOH-TENG）（圖4a）。AOH-TENG的最大輸出功率密度為41.2 mW/m²，其在14000次接觸/分離運動中均表現出穩定的電輸出（圖4e），滿足納米發電機的可靠性要求。在環境條件下存放2個月后，AOH-TENG的電輸出未出現明顯衰退，展示出優異的電子傳輸能力和可重復性，證明了該有機水凝膠電極在拉伸性和穩定性方面的巨大優勢。

  作者還設計了一種自充電電源系統評估AOH-TENG的發電能力。該AOH-TENG能夠在寒冷條件下通過擺臂運動收集足夠的機械能點亮20個LED，從而證明了其在極端條件下的可靠性。AOH-TENG在較寬的溫度范圍內（-60至60 °C）均表現出出色的電輸出穩定性。

圖4. AOH-TENG的電輸出性能

  相關的研究內容以“Environment Tolerant Conductive Nanocomposite Organohydrogels as Flexible Strain Sensors and Power Sources for Sustainable Electronics”為題發表在《Advanced Functional Materials》上。論文第一作者為鄭州大學橡塑模具國家工程研究中心孫紅玲博士。通訊作者為鄭州大學的代坤教授和和北京化工大學的萬鵬博教授。該研究得到了國家自然科學基金項目、國家自然科學基金-河南省聯合基金、河南省高校創新人才支持計劃等項目的資助。

  全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202101696