柔性电子和可穿戴式传感器的日益增长的需求正在推动新型电子材料、工艺技术和集成设计的发展。这些电子设备在传感器、人机界面、软机器人、人工智能等方面大放异彩。水凝胶材料由于内部含有大量水所以具有优异的柔韧性，使其成为构筑柔性电子器件的优选材料。其中各向异性导电水凝胶材料的研发与构筑有助于实现电信号高精度的定向传输、逻辑计算、传感和驱动。然而，如何大幅度提高水凝胶材料的各向异性程度是一项巨大的挑战。
近日，吉林建筑大学李永涛副教授和长春理工大学董相廷教授团队在期刊《Composites Part B》上，发表了最新研究成果“Electrospun green fluorescent-highly anisotropic conductive Janus-type nanoribbon hydrogel array film for multiple stimulus response sensors”。研究者设计并采用并行电纺技术和后聚合相结合的方法构筑了[炭黑(CB)/明胶(GE)]//[2，7-二溴芴酮(DF)/GE] Janus型纳米带水凝胶膜。通过对 Janus 型纳米带的组成和排列进行微观设计和调控，有效地分离了导电材料和绝缘材料，从而使样品具有高各向异性的导电性和明显的绿色荧光。该水凝胶的设计思路和构建技术突破了导电水凝胶材料各向异性程度低的技术瓶颈。
通过静电纺丝技术和化学交联制备了[CB/GE]//[DF/GE] Janus型纳米带水凝胶膜(图1a)。Janus纳米带在水凝胶膜中紧密排列并且高度取向(图1b, c)。通过OM照片观察到CB分布在黑色一侧，DF分布在黄色一侧(图1d)。同时采用EDS线分析[DF/GE]//[CB/GE] Janus型纳米带的元素分布，Br元素(即DF)只存在于Janus纳米带的右侧(图1e)。通过OM照片和EDS线分析说明Janus型纳米带被成功地制备了。利用Janus结构可以实现导电物质和绝缘物质的有效分离，有利于提高材料的各向异性导电程度。
图1静电纺丝装置及水凝胶的制备过程示意图(a)，JNAF和JNHAF的扫描电镜照片(b, c)，JNHAF中Janus型纳米带的OM照片(d)和EDS线扫描分析(e)。
分别测试了沿Janus型纳米带取向方向和垂直于Janus型纳米带取向方向试样的拉伸性能(图2)。与聚合前相比，JNHAF比具有更优异的力学性能，这是其在柔性电子器件中应用的先决条件。JNHAF沿平行方向拉伸50次和沿垂直方向拉伸20次后的恢复性能良好。与垂直方向相比，平行方向的水凝胶具有良好的力学性能，使JNHAF在适当的拉伸范围内具有良好的弹性变形，这将有助于水凝胶作为柔性传感器的回收利用。
图2 试样沿(a)平行方向和(b)垂直方向拉伸试验示意图;(c, d) JNHAF和JNAF在拉伸平行和垂直方向上的应力-应变曲线，(e, f)不同方向上JNHAF的循环恢复系数。
JNHAF具有优异的绿色荧光(图3)以及各向异性导电，其各向异性导电程度最高可达1.12×105。此外，JNHAF同时对光照、温度和应变具有一定的响应(图4a-d)，其组装传感器用于人体关节运动检测，如手指、手部关节、手腕和肘部有明显的电信号变化(图4e-i)，这为构建具有各向异性结构的多模态响应应变传感器提供了可能。
图3 (a、b)不同GE/DF质量比时JNHAF的激发光谱和发射光谱。
图4 JNHAF传感器在不同CB含量，光照，应变以及温度下的相对电阻随时间变化曲线(a-d), 不同手指弯曲角度下JNHAF相对电阻随时间变化曲线(e), 水凝胶作为柔性应变传感器监测人体不同关节运动，包括手指(f)，手关节(g)，手腕(h)，肘关节(i)。
吉林建筑大学齐海娜老师和研究生景雪莲为该项成果的第一和第二作者。本工作的研究有助于为多功能高各向异性导电水凝胶材料的发展提供新的路线和技术支持，为未来纳米技术、纳米器件及相关技术领域的发展提供新的物质基础。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111933
人物简介
李永涛，吉林建筑大学材料科学与工程学院，副教授，博士。吉林省优秀创新创业代表、吉林省科技创业导师、吉林省创业辅导师、吉林省课程思政教学名师、吉林省硅酸盐学会理事。近五年，主持国家自然科学基金项目和省部级项目5项，以第一作者/通讯作者发表SCI论文32篇，其中一区Top论文12篇，制定2项国家标准，获得吉林省科技进步奖3项，担任Advanced Optical Materials等7个SCI期刊审稿人。
董相廷，长春理工大学化学与环境工程学院，教授，博士，博士生导师。从事纳米材料与技术研究，主要研究方向为：电纺技术构筑光电磁多功能一维纳米结构材料与特性研究；电纺技术构筑稀土化合物一维纳米材料与发光性能研究；电纺、水热与溶剂热等及其结合技术构筑低维纳米材料与表征，并将所构筑的低维纳米材料应用于光催化分解有机污染物、光催化分解水制氢、电催化析氢和析氧、锂离子电池、锂硫电池、超级电容器和气体传感器中。以第1名获吉林省技术发明一等奖1项、技术发明二等奖1项、自然科学二等奖1项；以通讯作者在Adv. Funct. Mater., Small, Renew. Sust. Energ. Rev., Chem. Eng. J., ACS AMI, Compos. Sci. Technol., Sensor Actuat B: Chem, J. Mater. Chem. C, Nanoscale等国际重要期刊发表论文500余篇；获授权国家发明专利100余件；研究成果引起领域内同行的高度关注。
