能源環(huán)境領(lǐng)域?qū)沙掷m(xù)發(fā)展的追求，以及智能可穿戴傳感技術(shù)的革新，都對 功能 材料 的研究開發(fā) 提出了更多 要 求。分子設(shè)計(jì)已成為優(yōu)化材料特性、實(shí)現(xiàn)功能整合的核心策略 之一 。天然高分子卡拉 膠具 有 良好的 生物相容性與可再生性 ，可作為 綠色基 體 材料，但 可 加工 性差 與機(jī)械強(qiáng)度不足的問題，限制了其進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用。

近期，康復(fù)大學(xué)康復(fù)科學(xué)與工程學(xué)院賀金濤/楊大鵬通過分子設(shè)計(jì)調(diào)控-卡拉膠分子間相互作用，顯著降低其溶膠–凝膠轉(zhuǎn)變溫度，從而賦予材料優(yōu)異的可加工性和增強(qiáng)的機(jī)械特性。該改性策略能高效固定鹽離子，使材料具備良好的大氣水收集能力和穩(wěn)定的濕氣發(fā)電性能。基于此開發(fā)出了自供電智能傳感器，可實(shí)時監(jiān)測呼吸狀態(tài)、感知壓力變化，并對非接觸動作做出快速響應(yīng)。該項(xiàng)研究構(gòu)建了集成化材料設(shè)計(jì)框架，為綠色能源技術(shù)與個性化健康監(jiān)測的創(chuàng)新提供了新路徑。

通過引入 帶 正電 的 季銨基 團(tuán) ，使得 - 卡拉膠 的溶解溫度顯著降低 ， 這可以實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)、酶或熱敏性藥物與 - 卡拉膠的有效復(fù)合 ，從而避免高溫帶來的 結(jié)構(gòu)性 破壞 。特別地， 這種 改性能夠顯著降低卡拉膠的溶膠 – 凝膠臨界轉(zhuǎn)變溫度，實(shí)現(xiàn)靈活的可加工性， 并能夠顯著改善 機(jī)械性能， 增強(qiáng) 柔韌性。另一方面，帶有兩性離子基團(tuán)的卡拉膠 （ Q KC ） 通過聚合物鏈上的官能團(tuán)與鹽離子的配位實(shí)現(xiàn)了對吸濕鹽的有效鎖定，降低了鹽泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

圖 1. 分子工程化卡拉 膠及其 應(yīng)用示意圖

圖 2 . QKC 的性質(zhì) 和吸濕性能

基于 QKC 制備了 AWH 器件，并在 25℃ 的動態(tài) RH 條件下，評估了其水蒸氣吸附行為。在相對濕度為 90% 的條件下， QKC 基 凝膠最大水蒸氣吸收量為 2.1 g g ? 1 。 基于此， 進(jìn)一步設(shè)計(jì)了濕氣發(fā)電器件， QLMEG 在 90% 濕度下 可以實(shí)現(xiàn) 0.92 V 的開路電壓。器件串聯(lián)后電壓可達(dá) 12.3 V ，可以為 小型電子 設(shè)備供電。

圖 3 . QLMEG 器件的濕氣發(fā)電性能

QLMEG 在健康監(jiān)測中具有顯著優(yōu)勢，其能夠直接利用環(huán)境濕度變化進(jìn)行自供電 。 在不同的呼吸頻率下， QLMEG 能夠?qū)崟r顯示 電 信號 。在快速呼吸時， QLMEG 展現(xiàn)了快速的電壓響應(yīng)，而慢速呼吸的電壓響應(yīng)相對緩慢。利用這一特性，可以通過電信號響應(yīng)來判斷不同的呼吸狀態(tài)，并實(shí)時記錄運(yùn)動和靜息狀態(tài)下的呼吸頻率。 QLMEG 對不同壓力也可以表現(xiàn)出電壓信號響應(yīng)特性，當(dāng)施加壓力時，器件的電壓立即發(fā)生變化，當(dāng)壓力撤去后，初始電壓恢復(fù)。此外， QLMEG 器件還具有非接觸傳感的能力，當(dāng)測試者慢速走向 QLMEG 傳感器時，其電壓發(fā)生了小幅度的變化。隨著走進(jìn)速度的增大，其電壓響應(yīng)變化也逐漸增大。

圖4. QLMEG器件的自供電傳感器應(yīng)用

這些應(yīng)用研究展示了卡拉膠基功能材料良好的應(yīng)用潛力，有利于推動其在健康監(jiān)測、能源利用及環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用。

N. Li, X. Yu, D.-P. Yang, J. He, Molecularly Engineered Quaternizedκ-Carrageenan: a Multifunctional Platform for Atmospheric Water Harvesting, Moisture-Electricity Generation, and Self-powered Wearable Sensors. Adv. Funct. Mater. 2025, e02668.

https://doi.org/10.1002/adfm.202502668

來源：高分子科學(xué)前沿

聲明：僅代表作者個人觀點(diǎn)，作者水平有限，如有不科學(xué)之處，請?jiān)谙路搅粞灾刚?/p>