摘要：近日，南通大学李大伟教授和张伟教授团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Highly Stretchable, Self-Adhesive, Conductive, and Tough Hydrogel
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南通大学李大伟&张伟教授团队：纳米纤维水凝胶应变传感器及超声纳米发电机
近日，南通大学李大伟教授和张伟教授团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Highly Stretchable, Self-Adhesive, Conductive, and Tough Hydrogel Reinforced with Cellulose Nanofibers for Wearable Biosensor and Ultrasonic Nanogenerator”。研究者通过热交联凝胶技术，制备出具有高机械性能、导电性和自粘附性的MXene/CNF/PDA/PAM水凝胶。与PA6膜复合使用Eco-flex进行封装搭建出在超声波刺激下具有优异电学性能的摩擦纳米发电机。
本文通过加入纤维素纳米纤维（CNF）提高PDA/PAM水凝胶的拉伸强度，适当加入MXene能赋予水凝胶良好的导电性。另外CNF和MXene的加入使得水凝胶具有优良的抗压性能。MXene/CNF/PDA/PAM水凝胶在智能可穿戴传感器具有潜在的应用前景。
图1：MXene/CNF/PDA/PAM水凝胶的材料表征
通过热交联制备的MXene/CNF/PDA/PAM水凝胶。SEM图像显示在水凝胶内部的产品中观察到3D网状结构。根据FTIR、XPS实验，证明了MXene成功加入到水凝胶内部。
图2：MXene/CNF/PDA/PAM水凝胶的机械性能。
如图2所示，MCPP水凝胶能够支撑200g的砝码（图2a）。此外，MCPP水凝胶经过拉伸和扭转拉伸分别达到其原始长度的8倍和7倍。压缩至80%后，可以很容易地恢复到原来的状态，表明具有优良的柔韧性和回弹性。水凝胶的伸长率为847.4%，断裂强度为94.8kPa。
PAM水凝胶随着MXene的加入，表现出较好的导电性（图3b）。MXene/CNF/PDA/PAM水凝胶不仅可以在小应变（1%-10%）下产生电响应，最大传感范围为300%，灵敏度为2.84。在经过1000次循环拉伸后仍显现出稳定的电阻变化率，表现出良好的抗疲劳性和稳定性（图3g）。
图3：MXene/CNF/PDA/PAM水凝胶的电学性能
在对生理信号和运动信号监测应用中，MXene/CNF/PDA/PAM水凝胶的心电信号、肌电信号和人体运动状态规律一致（图4），展现出优秀的传感性能，在人体生理与运动信号监测应用领域具有很大的潜能。
图4：MXene/CNF/PDA/PAM水凝胶的应用
通过对MCPP发电机的电学性能测试，展现出其高输出性能（图5）。MCPP发电机在超声波刺激下的表现出优良的电输出性能，输出电压和输出性能分别为2V和1.6µA。为了增强超声刺激下MCPP水凝胶产生的电压信号，我们在水凝胶的上表面分别添加了一层PA6膜，输出电压和电流约为4.1V和4.8µA。
图5：MCPP发电机的搭建及电输出性能。
通过对超声波摩擦纳米发电机的电容器充电、点亮LED和非接触式发电等应用测试，展现了其在小型供电领域以及可植入式发电机领域的巨大潜能。快速充电、点亮若干个LED都表明了其优异的电输出性能；在非接触式发电应用中，将发电机放在一块1cm厚的牛肉下面，经过超声波刺激传输到发生器，发电机仍然产生2.2V的电压，也进一步验证了其具有较高的发电性能。
图6：MCPP发电机的供电应用。
论文链接：
https://authors.elsevier.com/sd/article/S1385-8947(25)04845-4
李大伟，南通大学纺织服装学院教授，硕士生导师。美国北卡罗莱纳州立大学访问学者。担任中国纺联智能纤维与柔性可穿戴专家委员、江苏省纺织工程学会理事、产业用纺织品分会秘书长、科普工委会委员、江苏省高新技术企业评审专家、《丝网印刷》期刊编委、《Frontiers in Energy Research》期刊客座编辑。入选江苏省第六期“333工程”第三层次培养对象及江苏省科协青年托举工程，致力于智能可穿戴材料的设计与制备、生物传感纤维材料的研究、纳米结构功能纺织材料研究及生物医用纺织材料研究等。先后主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金面上项目、江苏省自然科学基金、南通市科技计划项目等科研项目。在Advanced Functional Materials、Nano Energy、Biosensors & Bioelectronics、Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces等期刊发表论文80余篇。参编中英文著作各1部，授权发明专利10余件。获中国纺织工业联合会科技进步二等奖、中国商业联合会科技进步二等奖及江苏省科学技术奖三等奖各1项。
张伟，南通大学纺织服装学院教授，博士生导师，院长。新加坡国立大学、英国莱斯特大学访问学者。担任教育部高等学校纺织类专业教指委非织造分委会副主任、中国纺织工程学会常务理事、中国产业用纺织品行业协会理事、江苏省纺织工程学会副理事长、纺织行业建筑用纤维及土工材料重点实验室主任。入选交通运输部“青年科技英才”、江苏省“333工程”第二层次培养对象、江苏高校“青蓝工程”优秀教学团队带头人、江苏省“双创博士”计划（科技副总类）、南通市“226工程”等。获中国纺织工程学会“纺织青年科技奖”、江苏纺织青年科技奖、南通市青年科技奖、南通市高校青年教学名师、南通市青年五四奖章等荣誉称号。先后主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、江苏省重点研发计划项目、江苏省高等学校自然科学研究重大项目等10余项。相关研究在Adv. Sci.，Nano Energy，Mater. Horiz.，Chem. Eng. J.，Compos. Part A，Compos. Part B，Compos. Sci. Technol.等国内外学术期刊发表论文40余篇；授权发明专利17件；参编国家、行业和团体标准5项；获省部级科技进步奖6项，省部级教学成果奖5项。主要从事先进纤维及非织造材料研究，致力于生物医用纤维材料、建筑用纤维及土工材料等领域。
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来源：昊然教育