共晶凝膠因其固有的離子導電性、機械柔韌性、環境耐受性和成本效益，在可穿戴設備的開發中引起了廣泛關注。共晶凝膠的機械性能決定傳感性能方面起著關鍵作用。然而，在共晶凝膠材料中平衡強度、應變和回復性仍然是一個長期存在的挑戰，大多數共晶凝膠只能滿足其中一個標準。高回彈性需要凝膠基質內具有強交聯，使材料在釋放力后通過熵驅動過程恢復其原始狀態。但高回彈性共晶凝膠的強度較低，通常低于0.5 MPa，限制了它們的結構多功能性和適用于復雜設計的能力。而高強度共晶凝膠通常在其應力-應變曲線中表現出顯著的滯后環，表明存在較大的殘余應變。這種殘余應變會損害由這些材料制成的傳感器的可重復性和基線穩定性，導致信號可靠性差。因此，開發同時具有高強度、高應變和高回彈性的共晶凝膠，以提高基于共晶凝膠的傳感器的可靠性和性能，仍然是一個關鍵且緊迫的挑戰。
基于此，封偉教授FOCC團隊在共晶溶劑中合成了聚（苯乙烯磺酸鈉）（PSS）修飾的金納米顆粒（AuNPs），并成功制備了PSS-AuNP增強的聚丙烯酸/聚乙烯吡咯烷酮（SAu-PAA/PVP）共晶凝膠。通過AuNPs與PAA/PVP聚合物鏈之間的配位作用，SAu-PAA/PVP共晶凝膠表現出顯著增強的拉伸應變（946%）、機械強度（3.50 MPa）和回彈性（85.3%）。這種高性能共晶凝膠被證明是一種對應變和溫度敏感的柔性傳感器，并且AuNPs提供了近紅外傳感能力。此外，SAu-PAA/PVP共晶凝膠繼承了共晶溶劑的優點，包括抗干燥和抗凍性能（?77 °C）。此外，通過簡單的成型方法對共晶凝膠進行微結構設計，所得的分層金字塔微結構共晶凝膠在壓力傳感器中作為離子介電層使用。該傳感器具有高靈敏度（37.11 kPa?1）、低檢測限（1 Pa）、快速響應速率（36/54 ms）以及在5000次循環中表現出優異的重復性，使其在檢測微小振動方面具有可靠性和耐久性，有望應用于精密機械、航空航天和建筑等領域。
2025年2月20日，相關研究成果以“High Strength, Strain, and Resilience of Gold Nanoparticle Reinforced Eutectogels for Multifunctional Sensors”為題發表在國際權威期刊《Advanced Science》上。論文第一作者是北京化工大學博士研究生黃穎翔，論文通訊作者是天津大學封偉教授。本研究工作得到了國家自然科學基金重點項目以及國家重點研發項目支持。
圖1 SAu-PAA/PVP共晶凝膠的制備過程及應用于多功能傳感
傳統水凝膠的機械性能在零下溫度下會顯著惡化，這是由于水的凍結破壞了內部結構并降低了水凝膠聚合物鏈的柔韌性。并且在干燥環境中容易脫水，導致性能急劇下降。相比之下，CEU共晶溶劑中的分子通過ChCl、EG和尿素之間的強氫鍵相互作用，抑制了低溫下溶劑分子的結晶和凝固，并且具有低的飽和蒸氣壓，使得SAu-PAA/PVP共晶凝膠具有優異的抗低溫和抗干性。
圖4 SAu-PAA/PVP共晶凝膠優異的環境耐受性。
圖5 基于SAu-PAA/PVP共晶凝膠的溫度，NIR和應變傳感器。
圖6 分層金字塔微結構壓力傳感器的制備與性能。
圖7 壓力傳感器在振動信號監測中的應用
文章信息：
Yingxiang Huang,Yanzhao Yang, Cong Peng, Yu Li, Wei Feng*. High Strength, Strain, and Resilience of Gold Nanoparticle Reinforced Eutectogels for Multifunctional Sensors. Adv. Sci. 2025, 2416318.
DOI: 10.1002/advs.202416318
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