In Situ Structural Densification of Hydrogel Network and Its Interface with Electrodes for High-Performance Multimodal Artificial Skin

材料科学 原位 电极 自愈水凝胶 粘附 纳米技术 电化学 模数 复合材料 高分子化学 化学 物理化学 有机化学
作者
Luqi Luo,Zixuan Wu,Qiongling Ding,Hao Wang,Yibing Luo,Jiahao Yu,Hui Guo,Kai Tao,Sheng Zhang,Fengwei Huo,Jin Wu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (24): 15754-15768 被引量:85
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c02359
摘要

The multisensory responsiveness of hydrogels positions them as promising candidates for artificial skin, whereas the mismatch of modulus between soft hydrogels and hard electrodes as well as the poor adhesion and conductance at the interface greatly impairs the stability of electronics devices. Herein, we propose an in situ postprocessing approach utilizing electrochemical reactions between metals (Zn, etc.) and hydrogels to synergistically achieve strong adhesion of the hydrogel–electrode interface, low interfacial impedance, and local strain isolation due to the structural densification of the hydrogel network. The mechanism is that Zn electrochemically oxidizes to Zn2+ and injects into the hydrogel, gradually forming a mechanically interlocked structure, Zn2+–polymer dual-helix structural nodes, and a high-modulus ZnO from the surface to the interior. Compared to untreated samples, the treated sample displays 8.7 times increased interfacial adhesion energy between the hydrogel and electrode (87 J/m2), 95% decreased interfacial impedance (218.8 Ω), and a high-strain isolation efficiency (εtotal/εisolation > 400). Akin to human skin, the prepared sensor demonstrates multimodal sensing capabilities, encompassing highly sensitive strain perception and simultaneous perception of temperature, humidity, and oxygen content unaffected by strain interference. This easy on-chip preparation of hydrogel-based multimodal sensor array shows great potential for health and environment monitoring as artificial skin.
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