Mechanically ductile, ionically conductive and low-temperature tolerant hydrogel enabled by high-concentration saline towards flexible strain sensor

材料科学 自愈水凝胶 标度系数 离子键合 纳米复合材料 导电体 纳米技术 制作 生物传感器 复合材料 光电子学 离子 高分子化学 病理 物理 医学 替代医学 量子力学
作者
Shi‐Neng Li,Xiao-Feng He,Zi‐Fan Zeng,Baiyu Jiang,Qiang Wu,Li‐Xiu Gong,Yang Li,Joonho Bae,Siqun Wang,Long‐Cheng Tang
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:103: 107789-107789 被引量:156
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2022.107789
摘要

Achieving a good trade-off between high mechanical performance and long-term strain sensing of hydrogel materials in cold environmental conditions remains a great challenge in the engineering fields, such as wearable electronics and human-machine interfaces. Herein, we propose a mechanically ductile, ionically conductive, anti-freezing ionic-type nanocomposite hydrogel for strain sensing under low-temperature environments. Typically, the combination use of chain-entanglement structure induced by saturated sodium chloride and nano-reinforcement produces the resultant hydrogel with the advantages of highly enhanced and balanced mechanical properties, reliable freezing-tolerance (−56.8 °C) and improved electric performance. Notably, the strain sensor based on such ionic-type nanocomposite hydrogels exhibits intriguing sensing performance, including high sensitivity (gauge factor: 6.67), fast response (≈120 ms) as well as wide detection range (0–1216%). Owing to exceptional low-temperature tolerance of the hydrogels, the optimized sensor reveals a highly enhanced low-temperature adaptability and splendid sensing performance with good capacity retention (97.6% and 90.5% for electrical conductivity and gauge factor, respectively) even after storing for 30 days at − 20 °C. Furthermore, the strain sensor can accurately detect and distinguish both large mechanical deformation and human motions under harsh environment, reflected by the unique characteristic signal with stable repeatability (e.g., a strain of 200% with 200 cycles). Clearly, the versatile multi-functionalities of high-concentration ionic nanocomposite hydrogels prepared herein could provide a new perspective for the design and fabrication of advanced all-round ionic sensor for promising applications in extremely harsh low-temperature environments.
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