基于多功能水凝胶的柔性多模态传感器平台：实现机械冲击与光学信号的精准检测

《Nano Materials Science》：Versatile hydrogel-based sensor platform for multi-modal mechanical and optical signal detection

本研究针对当前柔性多功能传感器(FMSs)在材料选择（主要使用弹性材料而忽视粘弹性材料）、功能集成（依赖多个传感器组合）和信号输出（多为定性而非定量）方面的局限性，开发了一种基于聚乙烯醇(PVA)、硼砂、聚丙烯酸(PAA)、三氯化铁(FeCl3)和聚多巴胺(PDA)的粘弹性水凝胶传感器(FMSS)。该平台具备可调的力学性能，能够定量检测机械冲击能量（R2= 0.999）、紫外线强度（R2= 0.989）和红外线水平（R2= 0.963），为安全测试、环境监测和可穿戴技术提供了高精度、一体化的解决方案，推动了多功能传感器技术的发展。

　　

在当今科技飞速发展的时代，柔性多功能传感器(Flexible Multifunctional Sensors, FMSs)因其能够独立或同时响应多种外部刺激（如机械力、光、化学物质等）而受到广泛关注。这些传感器在可穿戴健康设备、软体机器人、消费电子等领域展现出巨大应用潜力。将多种功能集成到单一传感器中，相较于为每种功能使用独立传感器，具有减少空间和重量、提高能源效率、增强耐用性和易于维护等显著优势。然而，现有的柔性多功能传感器仍面临诸多挑战。首先，当前的FMSs主要采用弹性材料制造，粘弹性材料在很大程度上被忽视，而粘弹性组件的引入有望为FMSs在各个领域解锁新的应用可能性。其次，FMSs的多功能性通常依赖于多个传感器的集成，这增加了设备因物理连接而失效的风险。最后，FMSs通常对刺激提供定性而非定量的响应，限制了其在需要精确测量的领域应用。

为了应对上述挑战，来自美国康涅狄格大学材料科学研究所聚合物研究项目组的Zaili Hou、Songshan Zeng、Luqi Zhang、Miranda Zhang和Luyi Sun研究团队在《Nano Materials Science》上发表了一项研究，介绍了一种基于多功能水凝胶的传感器平台。该平台能够检测和量化机械冲击、紫外线(UV)强度和红外线(IR)水平。研究人员通过一种简便的方法，利用由聚乙烯醇(PVA)、硼砂（四硼酸钠）、聚丙烯酸(PAA)、三氯化铁(FeCl₃)和聚多巴胺(PDA)组成的粘弹性水凝胶，制备了一种机械可调的柔性多功能粘液传感器(FMSS)。这种水凝胶具有可调节的力学性能，特别是储能模量和损耗模量，可以通过改变硼砂与PVA的比例来调节。其动态双网络结构包含由PVA和硼砂交联产生的动态B-O键，以及PAA与Fe³⁺离子相互作用形成的动态配位键。此外，PDA表面的羟基和羧基促进了其与硼砂和Fe³⁺离子的相互作用，从而增强了水凝胶的传感能力。

为开展本研究，研究人员主要运用了以下关键技术方法：通过调控硼砂与PVA的比例来合成并调节水凝胶（FMSS 1-10至4-10）的粘弹性（储能模量和损耗模量）；利用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和扫描电子显微镜(SEM)对合成的聚多巴胺(PDA)纳米颗粒进行表征；使用流变仪对水凝胶的力学性能进行表征；并搭建实验系统，通过LCR（电感、电容、电阻）测量仪连续监测水凝胶在承受机械冲击、紫外线照射和红外线照射时的电阻变化，从而评估其传感性能。

3. 结果与讨论

3.1. 冲击传感器

研究人员通过让小球从不同高度落到水凝胶上，监测其电阻变化。结果表明，冲击会导致电阻急剧增加，随后由于水凝胶的粘弹性而呈现幂律衰减。峰值电阻变化与冲击能量（E = mgh）呈强线性相关（R²= 0.999）。冲击能量范围从6.43 × 10^?5J 到 9.19 × 10^?3J，对应的峰值电阻变化从3.16% 到 23.01%。研究人员还建立了一个理论模型，将电阻变化与冲击能量和材料的储能模量联系起来，很好地解释了实验观察到的线性关系。

紫外线传感器

利用Fe³⁺在UV照射下还原为Fe²⁺的原理（类光芬顿反应）进行检测。Fe³⁺与PAA配位时活动受限，还原为Fe²⁺后离子迁移率增加，导致水凝胶电阻下降。暴露250秒后，电阻变化与UV强度（0.15 mW cm^?2至 1.32 mW cm^?2）呈线性关系（R²= 0.989），峰值电阻变化从-1.21% ± 0.19% 到 -5.9% ± 0.23%。移除UV光源后，Fe²⁺会缓慢氧化回Fe³⁺，使电阻恢复，但恢复时间较长，更适合累积剂量检测应用。理论模型表明电阻变化与UV强度和时间积分成正比。

红外传感器

利用PDA的光热效应进行检测。IR辐射被PDA转化为热量，升高水凝胶温度，从而增加离子迁移率，降低电阻。在50秒照射下，电阻变化与IR强度（0.410 mW cm^?2至 1.083 mW cm^?2）呈线性关系（R²= 0.963），峰值电阻变化从-1.27% ± 0.23% 到 -8.75% ± 0.26%。停止照射后，温度下降，电阻逐渐恢复。一个简化的热模型成功解释了电阻变化与IR功率和曝光时间的线性关系。

4. 结论

本研究成功开发了一种基于粘弹性水凝胶的柔性多功能传感器平台。该平台通过巧妙的材料设计（PVA-硼砂网络、PAA-Fe³⁺配位网络和PDA的引入）实现了可调的力学性能和多重响应机制。研究表明，该传感器能够高精度、定量地检测机械冲击能量、紫外线强度和红外线水平，各项检测均显示出良好的线性关系（R²值均高于0.96）。这项工作的重要意义在于：首先，它验证了使用粘弹性材料制备高性能多功能传感器的可行性，突破了传统柔性传感器主要依赖弹性材料的局限；其次，它成功地将三种不同的传感功能（机械、UV、IR）集成于单一材料平台，避免了多传感器集成带来的复杂性和潜在故障点，提高了设备的可靠性和紧凑性；最后，该传感器实现了对物理量的定量检测而不仅仅是定性响应，这大大拓宽了其在需要精确测量的领域（如安全测试、质量控制和环境遥感）的应用前景。这种多功能方法推进了传感器技术发展，为各种工业和环境系统提供了更高的精度和适应性。该研究为未来开发更先进、更集成的传感系统提供了新的思路和材料基础。