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Dense Hydrogen-Bonding Network Boosts Ionic Conductive Hydrogels with Extremely High Toughness, Rapid Self-Recovery, and Autonomous Adhesion for Human-Motion Detection

材料科学 韧性 复合材料 离子键合 自愈水凝胶 化学工程 高分子化学 离子 化学 工程类 有机化学
作者
Bing Zhang,Xu Zhang,Kening Wan,Jixin Zhu,Jingsan Xu,Chao Zhang,Tianxi Liu
出处
期刊:Research [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:2021 被引量:48
标识
DOI:10.34133/2021/9761625
摘要

The construction of ionic conductive hydrogels with high transparency, excellent mechanical robustness, high toughness, and rapid self-recovery is highly desired yet challenging. Herein, a hydrogen-bonding network densification strategy is presented for preparing a highly stretchable and transparent poly(ionic liquid) hydrogel (PAM-r-MVIC) from the perspective of random copolymerization of 1-methyl-3-(4-vinylbenzyl) imidazolium chloride and acrylamide in water. Ascribing to the formation of a dense hydrogen-bonding network, the resultant PAM-r-MVIC exhibited an intrinsically high stretchability (>1000%) and compressibility (90%), fast self-recovery with high toughness (2950 kJ m -3 ), and excellent fatigue resistance with no deviation for 100 cycles. Dissipative particle dynamics simulations revealed that the orientation of hydrogen bonds along the stretching direction boosted mechanical strength and toughness, which were further proved by the restriction of molecular chain movements ascribing to the formation of a dense hydrogen-bonding network from mean square displacement calculations. Combining with high ionic conductivity over a wide temperature range and autonomous adhesion on various surfaces with tailored adhesive strength, the PAM-r-MVIC can readily work as a highly stretchable and healable ionic conductor for a capacitive/resistive bimodal sensor with self-adhesion, high sensitivity, excellent linearity, and great durability. This study might provide a new path of designing and fabricating ionic conductive hydrogels with high mechanical elasticity, high toughness, and excellent fatigue resilience for skin-inspired ionic sensors in detecting complex human motions.
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