近日，广州中山大学国家光电材料与技术重点实验室科研人员采用简单的溶剂交换策略，制备了由离子j-卡拉胶/聚丙烯酰胺（PAM）双网络（DN）有机水凝胶组成的具有超缓凝性、自愈性和透明的湿度传感器。在有机水凝胶中引入了吸湿乙二醇（EG）和甘油（Gly）（图1），以提高抗干燥和湿度传感能力（图2）。有机水凝胶传感器具有前所未有的拉伸性能（1225%应变，图3）和良好的传感性能（图4），包括响应速度快（0.27 s）和恢复时间短（0.3 s），相对湿度（RH）检测范围宽（4-90%），良好的稳定性和线性度。随着相对湿度从4%提高到90%，Gly-DN传感器的电导提高了543倍以上。此湿度传感器具有足够的灵敏度，可以监测人体呼吸，输出稳定且重复性好（图5）。在精细的聚合物网络和二元溶剂中，水分子与包括OH-、SO3-和-NH2在内的大量亲水基团之间形成了氢键，从而提高了敏感性和保湿能力。聚合物链对导电离子传输的阻碍作用是产生传导信号的关键，这被认为是新型传感器的机理。

图1 （a）溶剂交换法制备Gly-DN有机水凝胶。（b-d）图示吸湿性EG/Gly分子通过与水分子形成氢键吸附水分子，提高有机水凝胶的保水性和湿度感知能力。

图2 DN水凝胶和EG/Gly-DN有机水凝胶在不同环境条件下保存控制时间后的形态、重量和阻力变化，展示EG/Gly分子增强水凝胶保水能力的有效性。

图3 （a） EG-DN和Gly-DN有机水凝胶的光透过性；（b） DN水凝胶和EG/Gly-DN有机水凝胶的应力应变曲线；（c-e）Gly-DN有机水凝胶为导体的自愈性；（f-g） Gly-DN有机水凝胶的拉伸性。

图4 （a） DN水凝胶和EG/Gly-DN有机水凝胶对RH的动态响应曲线；（b） Gly-DN有机水凝胶对低RH的实时响应。（c）三种传感器的实验结果和线性拟合响应与相对湿度曲线的线性关系。（d） Gly-DN传感器在三个连续的传感周期内对人体呼吸的动态响应。（e-f）Gly-DN和EG-DN传感器用于检测人呼吸；（g）有机水凝胶湿度传感原理图。（h，i）水与卡拉胶（h）、水与PAM （i）之间形成氢键的示意图。

图5 （a-c） EG-DN湿度传感器可在各种机械变形下工作，包括拉伸、弯曲和扭转；（d，e）EG-DN有机水凝胶的初始脱水状态对其灵敏度的影响；（f）EG-DN传感器的重复性

研究背景

可拉伸性和自愈能力是现代电子传感器用于可穿戴应用的基本属性。将电子传感器的可拉伸性、透明性和自愈能力结合，可拓宽柔性可穿戴电子产品在电子皮肤（e-skin）、个人健康监测、植入式假肢、软性机器人等各个领域的应用范围。良好的可拉伸性使传感器能够舒适地附着在人体皮肤上，并与人体一起移动，使干扰最小。透明是隐形电子的一项重要功能，在消费电子、军事、显示和新能源设备中都很重要。具有自愈性，能使电子设备在表面划伤和机械损伤后自动修复，显著延长使用寿命。在可伸缩系统的各种传感能力中，湿度传感器的研究很少，尽管它是与我们日常生活中的健康和舒适密切相关的最重要变量之一。例如，我们皮肤的水分水平包含了大量有价值的生理和代谢信息。伤口的愈合情况可以通过监测伤口周围的湿度来评估。湿度传感器还可以用来监测呼吸，这是一个重要的生理信号，密切关系到人类的健康和活动。

传统的柔性湿度传感器是将石墨烯、碳纳米管（CNTs）、二硫化钼（MoS2）和导电聚合物等不同的传感材料置于柔性基底上制成的。例如，含氧官能团的氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（RGO）已广泛应用于基于各种柔性衬底（如聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚酰亚胺（PI））的敏感柔性湿度传感器制造。近年来发展的可拉伸的湿度传感器，大多基于将不可拉伸的传感材料制备在可拉伸的基底上。可惜的是，这些器件的可拉伸性很有限（应变≤60%）。此外，它需要复杂的实验程序和额外的可拉伸基板来制造可拉伸传感器。一个有效的替代方案是利用本质上可伸缩的传感元件，这些元件具有高灵敏度和对湿度的快速响应。水凝胶、离子凝胶等离子导体与传统的湿度传感导电材料不同，它具有良好的延展性、透明性、生物相容性甚至自愈性。这些独特的优点使离子导电水凝胶有望在各种柔性可伸缩电子器件上应用，包括传感器、执行器、人造肌肉/皮肤、离子电离能装置等。聚合物网络作为一个固体基质可限制离子和溶剂，绕过了离子液体和液态金属导体对容器的要求。由两种具有不同物理性质的聚合物网络组成的双网络（DN）水凝胶与单网络水凝胶相比，鉴于两种聚合物网络之间的相互作用，有望具有更强的机械强度和自愈能力。考虑到水在水凝胶中传输导电离子的重要作用，以及水蒸发引起的水凝胶电导变化，离子水凝胶或可作为湿度传感器材料来制作本身可拉伸的湿度传感器。