【摘要】
新型自供電水凝膠可以響應(yīng)周圍環(huán)境的多重刺激可逆地改變電信號，這對于下一代智能傳感設(shè)備的開發(fā)很有吸引力。最近，寧波大學(xué)翁更生副教授團隊報道了一種新設(shè)計的自供電金屬水凝膠，該凝膠具有快速自愈、可逆凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變和多刺激響應(yīng)性。
水凝膠通過動態(tài)金屬-丙氨酸（M-Ala）配位交聯(lián)。通過組裝含銅和鋅的水凝膠，以銅電極為陰極，鋅電極為陽極，制造出響應(yīng)多種刺激而發(fā)出電信號的自供電水凝膠。能夠改變 Ala 配體的結(jié)合親和力（例如，加熱、pH 和水分）或交換/替換 Ala 配體（例如，螯合劑）的外部刺激可用于調(diào)整輸出電信號。該自供電設(shè)計策略在一個多刺激響應(yīng)軟傳感器中結(jié)合了多刺激響應(yīng)性、靈活性和自供電功能。它還避免了在傳感設(shè)備中集成電源過程中的高溫和能源密集型過程。這項作為概念驗證的工作為制造具有多刺激響應(yīng)能力的自供電軟生物醫(yī)學(xué)和可穿戴設(shè)備鋪平了道路。相關(guān)論文以題為Dynamic coordination of metal–alanine to control the multi-stimuli responsiveness of self-powered polymer hydrogels發(fā)表在《Journal of Materials Chemistry A》上。
【主圖導(dǎo)讀】
圖 1 (a) 方案顯示了 P(DMA-co-AlaHPMA) 網(wǎng)絡(luò)中作為物理交聯(lián)的 Ala 和 Cu
2+ 離子的配位。（b）顯示Cu-Ala響應(yīng)多重刺激的解離和重組的圖片。
圖 2 (a) 流變測量顯示儲能模量 (G1) 和損耗模量 (G2) 與頻率的關(guān)系圖。（b）G1 和損耗因子（tan δ）在 10 Hz 的頻率下與 Cu : Ala 作圖。(c) P(DMA-co-AlaHPMA)水溶液通過各種金屬離子與Ala的配位而凝膠化。
圖3 (a) G1和G2來自含Cu水凝膠的連續(xù)應(yīng)變掃描，在1 Hz的振蕩頻率下交替經(jīng)受小振蕩應(yīng)變（2％）和大振蕩應(yīng)變（500％）。(b) 顯示兩片含銅水凝膠在 23 分鐘內(nèi)自愈的圖像。(c) 連續(xù)應(yīng)變掃描下的流變學(xué)結(jié)果顯示了含鋅水凝膠的 G1 和 G2 的變化。(d) 說明含銅水凝膠（藍色）和含鋅水凝膠（無色）自愈的圖像。
圖 4 (a) 將含銅和鋅的水凝膠與夾在兩個水凝膠之間的 Nafion 膜組裝在一起。(b) 使用 Cu 金屬電極作為陰極，Zn 作為陽極，設(shè)計了一個 Cu-Zn 原電池。(c) 電壓和功率密度與電流密度的關(guān)系圖。(d) 最大功率密度和短路電流與 Cu : Ala 比率作圖。(e) 以 1 mA cm
-2 的放電電流對 Cu-Zn 原電池進行放電。(f) 作為 Cu : Ala 比率函數(shù)的放電時間。
圖 5 (a) Cu-Zn 原電池的溫度響應(yīng)性。（a）圖像顯示加熱/冷卻切換時含銅水凝膠的可逆溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變。(b) G1和 G2 來自溫度掃描的含銅水凝膠，頻率為 1 Hz。(c) 加熱含銅水凝膠時，Cu-Zn 原電池的電流密度與溫度的關(guān)系圖。（d）交替進行加熱（80°C）/冷卻循環(huán)時電流密度的周期性變化。
圖 6 (a) 圖像顯示了在交替添加 HCl/NaOH 后含銅水凝膠的可逆溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變和顏色變化。(b) 不同 H
+ 濃度下含銅水凝膠的紫外可見光譜。(c) 在 1 mA cm
-2的恒定電流密度下繪制的電壓與 H
+濃度的關(guān)系圖。(d) 交替滴定 HCl/NaOH 的 Cu-Zn 原水凝膠電池的周期性電壓變化。
圖 7 (a) 螯合劑 l-苯基甘氨醇 (Phg) 對 Cu-Zn 原電池電壓的影響。(b) 當(dāng)交替添加相同摩爾量的 Phg 和Cu(NO
3)
2時，Cu-Zn 原電池電壓的循環(huán)變化。
圖 8 P(DMA-co-AlaHPMA)/PDMA IPN 水凝膠的拉伸測試。（a和b）含Cu（a）和含Zn（b）IPN水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（c）Cu-Zn原電池的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。三個測試樣品的照片圖像作為（a-c）中的插圖給出。(d) 圖像顯示了 Cu-Zn 原電池的拉伸過程。
圖 9 (a) IPN 結(jié)構(gòu)的 Cu-Zn 原電池的電壓和功率密度與電流密度的關(guān)系圖。(b) 具有 IPN 結(jié)構(gòu)的 Cu-Zn 原電池以 1 mA cm
-2 的放電電流放電。(c) 一個 LED 由三個串聯(lián)的 Cu-Zn 原電池連續(xù)點亮。(d)串聯(lián)連接的 Cu-Zn 原電池可用作柔軟且可變形的電池。
圖 10 (a) 脫水的含銅和鋅的 IPN 水凝膠組裝為雙層結(jié)構(gòu)的聚合物片。在相對濕度 (RH) 為 80% (b) 和飽和水蒸氣 (c) 的情況下，在聚合物片的吸水過程中，Cu-Zn 原電池的水含量和 OCV 隨時間繪制。(d) 當(dāng)交替施加飽和水蒸氣和干燥 N2 氣體時，Cu-Zn 原電池的 OCV 的可逆變化。
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