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《Nano Letters》微工程空心石墨烯管系统可产生填充剂浓度极低的导电水凝胶

发布时间:2021-4-8 9:21:50      阅读30

  导电水凝胶的制造具有挑战性,因为导电填料的引入通常会改变机械水凝胶基质的性能。最近,基尔大学Fabian Schütt教授和海德堡大学Christine Selhuber-Unkel教授团队提出了一种在极低的填充量(0.34 S m-1,0.16体积%)下制备具有出色电导率的水凝胶复合材料的方法。

  剥落的石墨烯和聚丙烯酰胺被微工程化为3D复合材料,从而导电的石墨烯途径遍及水凝胶基质,类似于人工神经系统。这样就可以兼具片状石墨烯的优异电导率和聚丙烯酰胺的适应性机械性能。在孔隙率,填充材料以及水凝胶体系方面,已证明的方法具有高度的通用性。与其他方法的重要区别在于,保留了基体的原始属性,同时确保了通过石墨烯涂层的微通道的导电性。这种产生导电水凝胶的新颖方法非常有前途,特别是在生物电子学和生物杂交机器人技术领域中的应用。相关论文以题为Microengineered Hollow Graphene Tube Systems Generate Conductive Hydrogels with Extremely Low Filler Concentration发表在《Nano Letters》上。

  图1.含导电微通道水凝胶的制备过程。(a–d)3D网络复合材料的制备步骤的示意图,该复合材料由水凝胶基质和微通道组成,微通道涂覆有导电2D填充材料(此处为脱落的石墨烯)。渗透过程的图像:(e)渗透前的t-ZnO模板,(f)使用2D填充材料的滴铸过程(步骤2),(g)完全渗透后,将水凝胶前体溶液滴铸在模板上 直到完全填充(步骤3),(h)聚丙烯酰胺剥离的石墨烯(PAM-EG)复合材料(EG:0.32体积%)。

  图2.(a)t-ZnO模板,(b)涂有剥离石墨烯的t-ZnO模板(t-ZnO-EG),(c)含微通道的聚丙烯酰胺(PAM)和(d)含微通道的聚丙烯酰胺剥离石墨烯(PAM-EG)复合材料。c和d部分中的白色箭头表示已切成两半的通道。聚丙烯酰胺凝胶的通道表面光滑且均匀,而含微通道的PAM-EG复合材料的通道则被剥落的石墨烯覆盖。在高放大倍率图像(d3)中可以看到多层石墨烯的特征性皱纹结构。(e)用光学显微镜成像的SiO2晶片上的PAM-EG复合材料薄层显示了组装在四脚架臂上的多层石墨烯的干涉图样(箭头)。(f,g)分别为t-ZnO-EG和网络PAM的X射线显微断层扫描3D图像。3D渲染中的颜色表示连接的组件。

  图3. PAM-EG复合材料的电导率:(a)电导率测量设置示意图。将样品与银浆一起安装在定制的样品架中。该测量在水中进行以防止水凝胶复合材料干燥。(b)PAM-EG复合材料的比电导率与EG浓度的关系。(c)比较基于碳填充材料的导电水凝胶的电导率。红星号表示这项工作所得到的PAM-EG复合材料的结果。(d)归一化电导率(σ(t)/σ0)作为时间的函数。在12天内测量了0.32%(体积)的PAM-EG(N=3)。(e)循环压缩期间电阻的标准化变化最大为35%。插图显示了连续15个循环的未压缩状态和压缩状态的电阻值。(f)不同样品的水含量和质量溶胀率。

  图4.(a-d)分别具有填充量为0.16%和0.32%(体积)的块状PAM,网络PAM和PAM-EG复合材料的33%应变的代表性循环应力-应变曲线。所有样品均显示出粘弹性行为和轻微的滞后现象。含有微通道的PAM-EG水凝胶显示出初始循环的独特滞后现象,这是预处理现象的结果。(e)初始杨氏模量最大为5%应变。(f)100个循环后恢复的高度。

  图5. Ashby图显示了基于碳填充材料的不同导电水凝胶体系的重量百分数归一化电导率随杨氏模量增加的函数。红星号表示这项工作所得到的PAM-EG复合材料的结果。
  该材料提供了一种微通道系统,该系统对于液体传输或药物输送是有益的,因为这种微通道网络的引入增强了扩散。此外,导电水凝胶的电导率,孔隙率,机械性能,尺寸和形状均适用。制造方法还适用于其他1D和2D纳米材料(例如,还原氧化石墨烯,CNT,MXenes(例如,Ti3C2Tx)),金纳米棒)以及其他水凝胶体系(例如聚N-异丙基丙烯酰胺),导致了各种各样的可能应用,例如在生物电子学,生物传感和生物混合软机器人中。
  文章来源:水凝胶

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