陈根：新型复合水凝胶，具有超高灵敏度

文|陈根

水凝胶是一种很有前途的材料，可以用来制造类似皮肤的机械传感器。基于水凝胶的人造皮肤设计，一般需要在两层水凝胶层之间夹一层介质以实现电容传感。然而，这种平面结构限制了皮肤的灵敏度、延展性和自愈性。

人造皮肤是一类重要的生物医学传感器，与人体皮肤一样能够感知外界不同的压力，也可畅通传导触觉信号的最基本功能。早在2003年，日本东京大学的研究团队就利用低分子有机物并五苯分子制成薄膜，通过其表面密布的压力传感器，实现了人造皮肤感知压力。

近日，南京大学物理学院的研究人员在凝胶基质中分散添加表面被多肽覆盖的石墨烯片，开发了具有体相电容结的单层复合水凝胶，可用于构建具备多重传感模式的人造皮肤“SHARK”（single-layer hydrogel artificial skin）。

与传统的三明治电容传感器不同，SHARK被认为是由无数分散于凝胶基质中的微纳电容器组成的，这些微纳电容器分散但相互连接，类似于聚合物太阳能电池的结构，与人体皮肤的传感机制高度相似。

这种独特的层级设计使其具备极大的等效电容面积和超高的传感灵敏度，任何微小的机械刺激都可以很大程度改变其总体电容。实验中，其可拉伸至原来长度的77倍，并在0-2600%的形变范围内保持线性传感特性。

值得一提的是，该材料能够在受损后迅速恢复其机械和电学特性。由于其快速自修复特性，该种材料能够直接进行3D打印，应用于复杂的传感芯片制备，打印精度达到200微米。

此外，研究团队展示了该材料在手指传感、声波传感和水下传感方面的应用示例，证明了其在不同传感模式和场景下均具备可靠的传感和抗疲劳特性。其有效感知空气和水环境中的应变和压力，为下一代离子电子学提供了机遇。

总的来说，该凝胶材料具备出色的拉伸性能、自修复能力和可打印特性，在新一代柔性离子电子器件中有广泛的应用前景。目前，相关研究成果发表在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）上。