提高高濃度金屬離子和兩性離子之間的相容性以可控地構(gòu)建配位鍵是至關(guān)重要且極具挑戰(zhàn)性的。本文報(bào)道了一種簡(jiǎn)便有效的合成多功能水凝膠的方法，即通過(guò)電子束輻照使鹵金屬離子液體和兩性離子發(fā)生無(wú)規(guī)共聚。在離子液體中引入金屬離子可以平衡電荷，與兩性離子建立適度穩(wěn)定的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。配位鍵和具有不同強(qiáng)度的多重相互作用的協(xié)同效應(yīng)賦予水凝膠突出的拉伸性、抗壓強(qiáng)度、快速響應(yīng)、先進(jìn)的自愈合能力和優(yōu)異的抗凍性。水凝膠組裝的多功能傳感器可以及時(shí)、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)，書(shū)寫(xiě)防偽，遠(yuǎn)程傳輸莫爾斯電碼信號(hào)。多個(gè)水凝膠傳感器也被組裝成柔性傳感器陣列，以跟蹤觸覺(jué)軌跡并檢測(cè)力的空間分布。此外，所獲得的水凝膠表現(xiàn)出很高的溫度敏感性，在25–40°C時(shí)電阻溫度系數(shù)為3.85% C1，可以檢測(cè)微小的溫度變化(0.1°C)。有趣的是，經(jīng)過(guò)處理的水凝膠可以通過(guò)鹽觸發(fā)來(lái)有效地調(diào)節(jié)透射率，從而實(shí)現(xiàn)圖案化。考慮到鹵金屬離子液體的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性，這一工作為多功能水凝膠的開(kāi)發(fā)提供了新的思路。

圖解

圖1:a)鹵化金屬離子液體的合成路線。b)PIZ水凝膠的示意性制備。c)PIZ水凝膠內(nèi)的多重相互作用。

圖2：a，b)SBMA和PI6Z6的FTIR光譜。c)從20–80°c加熱期間PI6Z6的溫度依賴(lài)性FTIR光譜。d) 2DCOS同步和異步光譜。紅色代表正強(qiáng)度，而藍(lán)色代表負(fù)強(qiáng)度。e)不同溫度下PI6Z6水凝膠的電導(dǎo)率。f)pi6z 6水凝膠的耐溫行為。PI6Z6水凝膠的DSC曲線。h)30天內(nèi)PI6Z6水凝膠的質(zhì)量變化。

圖3：a，PI6Z6水凝膠的拉伸和壓縮照片。具有不同c) [ABIm][ZnxCly]和d) SBMA單體含量的水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。e)用不同金屬含量的[ABIm][ZnxCly]制備的PIZ的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。f)循環(huán)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。PI6Z6水凝膠在70%壓縮應(yīng)變下20個(gè)循環(huán)的加載-卸載曲線。h)不同壓縮應(yīng)變下PI6Z6水凝膠的加載-卸載曲線。

圖4：a)粘附在不同基質(zhì)和人皮膚上的PI6Z6水凝膠的圖像。b)搭接剪切粘合試驗(yàn)的示意圖。c)搭接剪切曲線和PI6Z6水凝膠對(duì)各種基材的粘合強(qiáng)度。e)水凝膠對(duì)不同基質(zhì)的可能粘附機(jī)制。f)在PI6Z6水凝膠的切割和愈合過(guò)程中LED燈泡的亮度變化。g)愈合時(shí)PI6Z6水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖5：PI6Z6水凝膠的應(yīng)變依賴(lài)性電阻變化。具有b)3–50%應(yīng)變和c)100–500%應(yīng)變的PI6Z6水凝膠的相對(duì)電阻變化。PI6Z6水凝膠的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。PI6Z6水凝膠在50%拉伸應(yīng)變下2500 s的相對(duì)電阻變化。f)基于水凝膠的應(yīng)變傳感器感測(cè)不同溫度下人手指的彎曲。g)手指在不同角度保持彎曲。h)手腕以不同角度彎曲和放松。當(dāng)I)說(shuō)話、j)咳嗽和k)吞咽時(shí)水凝膠的電阻變化。

圖6：a)作為手寫(xiě)傳感器的PI6Z6水凝膠的示意圖。b)“H”和c)“HUST”的相對(duì)電阻變化用同一只手書(shū)寫(xiě)。d)莫爾斯電碼的示意圖。代表不同單詞的莫爾斯電碼信號(hào):e)“HUST”和f)“救命。”g)無(wú)線傳輸裝置示意圖。h)無(wú)線莫爾斯電碼信號(hào)“SOS”I)手腕反復(fù)向上彎曲的實(shí)時(shí)信號(hào)檢測(cè)。j)順序運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖。k)連續(xù)運(yùn)動(dòng)軌跡的信號(hào)。l)依次按壓C1、B2和B3引起的相對(duì)電阻變化。

圖7:a)相對(duì)電阻隨著外部溫度的升高而變化。b)25–70°c溫度范圍內(nèi)的負(fù)相對(duì)電阻變化37.8至38.4°c溫度范圍內(nèi)的相對(duì)電阻變化d)35–40°c溫度范圍內(nèi)的循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試。e)TCR值與文獻(xiàn)中報(bào)道的水凝膠溫度傳感器的比較。

圖8:

a)水凝膠在H2O和NaCl(水溶液)中的動(dòng)態(tài)鍵變化示意圖。).b)水凝膠在不同溶液下的透射率。c)在H2O/NaCl(水溶液)過(guò)程中水凝膠透射率(在600 nm)的變化。d)水凝膠上繪有不同圖案的圖像。

結(jié)論

總之，我們通過(guò)輻射條件下的無(wú)規(guī)自由基共聚策略制備了多功能水凝膠。在離子液體結(jié)構(gòu)中引入金屬離子，可以與PSBMA鏈段形成穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)鍵，調(diào)整聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。共價(jià)和多重非共價(jià)相互作用的協(xié)同效應(yīng)賦予水凝膠優(yōu)異的機(jī)械拉伸性(> 1000%應(yīng)變)、高抗壓強(qiáng)度(820 kPa)、快速響應(yīng)時(shí)間(0.14 s)、出色的自愈能力、保水性和抗凍性(70.6°C)。基于其優(yōu)異的性能，PI6Z6水凝膠被用作多功能柔性傳感器，以可靠和及時(shí)地檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)手指運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)程傳輸莫爾斯碼信息。作為壓力傳感器，所得水凝膠可以準(zhǔn)確識(shí)別筆跡，并組裝成傳感器陣列，跟蹤空間信號(hào)，識(shí)別力的空間分布。同時(shí)，水凝膠傳感器表現(xiàn)出顯著的溫度敏感性，優(yōu)于大多數(shù)報(bào)道的基于水凝膠的溫度傳感器。有趣的是，經(jīng)過(guò)處理的水凝膠的動(dòng)態(tài)離子鍵賦予了智能窗戶多功能性，支持一次性輸入/存儲(chǔ)信息。該方法簡(jiǎn)單、通用，可用于合成各種基于鹵金屬離子液體的導(dǎo)電水凝膠，以設(shè)計(jì)具有特定性能和多功能應(yīng)用的智能材料。

來(lái)源：膠粘材料