水凝膠“人造皮膚”：可拉伸77倍、可自愈、可3D打印、靈敏度超高

來源：國家科學(xué)評論

南京大學(xué)物理學(xué)院王煒教授和曹毅教授團隊在凝膠基質(zhì)中分散添加表面被多肽覆蓋的石墨烯片，設(shè)計和制備了具有體相電容結(jié)的單層復(fù)合水凝膠，可用于構(gòu)建具備多重傳感模式的人造皮膚“SHARK”。該凝膠材料具備出色的拉伸性能，自修復(fù)能力和可打印特性，在新一代柔性離子電子器件中有廣泛的應(yīng)用前景?！秶铱茖W(xué)評論》（National Science Review, NSR）近期發(fā)文報道了該成果。

具有超強延展性的SHARK，可拉伸77倍

這種集超強拉伸性、自修復(fù)性和超高機械傳感靈敏度于一身的單層水凝膠人造皮膚被命名為“SHARK”（single-layer hydrogel artificial skin）。與傳統(tǒng)的三明治電容傳感器不同，SHARK可以被認為是由無數(shù)分散于凝膠基質(zhì)中的微納電容器組成的，這些微納電容器分散但相互連接，類似于聚合物太陽能電池的結(jié)構(gòu)，也與人體皮膚的傳感機制也高度相似。這種獨特的層級設(shè)計使其具備極大的等效電容面積和超高的傳感靈敏度，任何微小的機械刺激都可以很大程度改變其總體電容。

SHARK設(shè)計和傳感原理

SHARK的微觀層級結(jié)構(gòu)

這種材料可以拉伸至7700%的應(yīng)變并在0-2600%的形變范圍內(nèi)保持線性傳感特性，并且可以在受損后迅速自修復(fù)，恢復(fù)其機械和電學(xué)特性。

SHARK的超強拉伸性能和延展性

研究團隊還展示了該種材料在手指傳感，聲波傳感和水下傳感方面的應(yīng)用示例，證明了其在不同傳感模式和場景下均具備可靠的傳感和抗疲勞特性。

同時，由于其快速自修復(fù)特性，該種材料還可以直接進行3D打印，應(yīng)用于復(fù)雜的傳感芯片制備，打印精度達到200微米。

SHARK的自修復(fù)，重塑和3D打印

該項研究的新穎設(shè)計能夠極大地提高基于水凝膠材料的人造皮膚性能，在下一代可穿戴電子設(shè)備方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwab147