水凝胶是具有粘弹性和亲水性的交联聚合物网络。导电水凝胶具有优异的拉伸性能和导电性，可望应用于柔性传感器、可穿戴电子和电子皮肤。然而，纯水凝胶电子传感器的应用受限于灵敏度低、扩展性有限和稳定性差等问题。虽然在水凝胶中加入刚性和导电填料可以提高其灵敏度，但其拉伸性和耐久性需要进一步改进。填料固有的刚性导致可拉伸水凝胶的柔度失配，导致内应力集中。这反过来限制了可扩展性，导致非弹性应力应变响应，降低了长期耐用性。
液态金属(LMs)是一种熔点低的金属合金，能够在室温下形成液态共晶，这使得它们在包括微流体电子、导电3D打印材料和可拉伸设备在内的大量应用中前景广阔。液体金属已成功地填充在柔性微通道中(如具有微通道的水凝胶和弹性体)，作为微流体装置的潜在压力和应变传感器。考虑到液体金属的流体性质和高导电性，LMs可以作为水凝胶传感器的柔性填料，解决传统的刚性导电填料带来的问题，并为液态金属传感器带来新的特性。例如，LMs -水凝胶应该是非常便宜的，因为它们不需要制造矩阵的微模式。与其他许多水凝胶传感器一样，LM-水凝胶传感器是一种基于接触的电阻材料，它与传统的微通道LM传感器有着本质的区别，传统的微通道LM传感器是基于通道的变形和内部连续的液态金属。不同的灵敏度模式可能使LM-水凝胶在检测基于LM接触变化的力的微妙变化方面具有优越的传感器性能。然而，由于水凝胶与LM之间存在极高的不相容性，导致液相分离，因此制备LM-水凝胶纳米复合材料长期以来一直是一个难题。此外，LM与聚合物网络间的弱界面相互作用通常会导致较差的力学性能。
东南大学化学与化学工程学院研究员报道了超拉伸水凝胶液体金属软填料的力传感器，即在亲水聚合物网络中使用液态金属作为软填料来实现超拉伸力敏感的水凝胶。液态金属不仅通过表面锚固作用增强了最终水凝胶的均匀性，还具有催化作用(活性填料)，实现了极快的凝胶化(20秒)。LM填料的液体性质使水凝胶基质增韧，并使网络具有显著的延展性(拉伸应变:~1500%)。lm -水凝胶具有优异的拉伸和压缩性能、弹性和机械耐久性。LM-水凝胶的抗压灵敏度(0.25 kPa-1)是原始水凝胶的20倍，并表现出显著的电稳定性(1000个循环)和快速的电阻响应(180 ms)。与传统的微图案LM传感器不同，LM-水凝胶具有独特的识别能力，能够识别由于液体金属的流体性质导致的非对称变形而导致的表面上的一系列细微运动(如手写和个人签名)。LM -水凝胶还可以通过记录运动的详细信息来检测人体的细微运动。
图1 (a)快速合成液态金属水凝胶的方案。(b和c)液态金属在水中的随时间变化的分散(b)和单体溶液(c)的照片。(d和e)凝胶溶液在室温下的凝胶化过程(d)没有LM和(e)有LM的照片。(f和g)碘量法:加入(f)纯APS溶液和(g)经液态金属处理的APS溶液后的碘化钾(KI)溶液的照片。(h和i)原始水凝胶和(i)液态金属含量为10%的lm水凝胶的横截面SEM图像。(i)中的圆形液滴是液态金属。
图2 (a和b)压缩和拉伸的液态金属凝胶的照片(10 vol%)，以显示材料的弹性。具有代表性的(c)液态金属含量变化的lm -水凝胶的拉伸和压缩曲线。(d)在30%应变下，lm -水凝胶(10%体积%)的典型拉伸和(f)压缩循环试验(100个循环)。
图3 (a和b)不同液态金属水凝胶的(a)压应力(50%应变)和(b)拉应力的应力变化曲线;插图显示了在低应力状态下的部分放大。灵敏度由拟合线(图中虚线)的斜率决定。(c e) LM液滴在(c)原始状态、(d)压缩状态和(e)拉伸状态下的变形示意图。(f)循环压应力作用下30%应变下1000个循环的电阻率变化。(g)压力传感器对液态金属水凝胶压力开关的响应时间(10 vol%)。
图4 运动物体在液态金属水凝胶表面的检测。物体沿(a) x方向(垂直于当前方向)移动的方案;(b) y方向(与当前方向平行);以及(c) x方向外的451线;t0表示对象的初始位置。(d f)物体沿(d) x方向、(e)y方向和(f) x方向上的451线的电阻性变化。(g)记录在LM-hydrogel表面上(df)的三个连续运动。(d f)中的每个动作重复三次，插图显示了一个动作的详细响应。
图5 (a)手写实验装置示意图。PVDF膜的作用是保护水凝胶不受尖锐笔的伤害，避免笔与凝胶之间的表面粘连。(b e) A、b、C、D的电阻性变化;每封信都写了三遍，以显示其重复性。(f)连续写上述四个字母的阻力变化。(g和h)感觉到两个不同的人写的OK。
图6 作为传感器的液态金属水凝胶用于检测身体的运动:(a和b)附着在凝胶外(a)和内(b)的食指弯曲电阻变化;(c和d)咀嚼和皱眉时的抵抗性变化。
参考文献Hao Peng, Yumeng Xin, Jun Xu, Huaizhi Liuand Jiuyang Zhang. Ultra-stretchable hydrogels with reactive liquid metals asasymmetric force-sensors. Mater. Horiz, 2019,
来源：柔性电子服务平台
