【摘要】
新型自供電水凝膠可以響應周圍環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備的開發很有吸引力。最近，寧波大學翁更生副教授團隊報道了一種新設計的自供電金屬水凝膠，該凝膠具有快速自愈、可逆凝膠-溶膠轉變和多刺激響應性。
水凝膠通過動態金屬-丙氨酸（M-Ala）配位交聯。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，制造出響應多種刺激而發出電信號的自供電水凝膠。能夠改變 Ala 配體的結合親和力（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整輸出電信號。該自供電設計策略在一個多刺激響應軟傳感器中結合了多刺激響應性、靈活性和自供電功能。它還避免了在傳感設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能力的自供電軟生物醫學和可穿戴設備鋪平了道路。相關論文以題為Dynamic coordination of metal–alanine to control the multi-stimuli responsiveness of self-powered polymer hydrogels發表在《Journal of Materials Chemistry A》上。
【主圖導讀】
圖 1 (a) 方案顯示了 P(DMA-co-AlaHPMA) 網絡中作為物理交聯的 Ala 和 Cu
2+ 離子的配位。（b）顯示Cu-Ala響應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水凝膠的連續應變掃描，在1 Hz的振蕩頻率下交替經受小振蕩應變（2％）和大振蕩應變（500％）。(b) 顯示兩片含銅水凝膠在 23 分鐘內自愈的圖像。(c) 連續應變掃描下的流變學結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，設計了一個 Cu-Zn 原電池。(c) 電壓和功率密度與電流密度的關系圖。(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 比率函數的放電時間。
圖 5 (a) Cu-Zn 原電池的溫度響應性。（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系圖。（d）交替進行加熱（80°C）/冷卻循環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水凝膠的應力-應變曲線。（c）Cu-Zn原電池的應力-應變曲線。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 結構的 Cu-Zn 原電池的電壓和功率密度與電流密度的關系圖。(b) 具有 IPN 結構的 Cu-Zn 原電池以 1 mA cm
-2 的放電電流放電。(c) 一個 LED 由三個串聯的 Cu-Zn 原電池連續點亮。(d)串聯連接的 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構的聚合物片。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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