Abstrak
Hidrogel konduktif (CH) telah menerima banyak perhatian untuk aplikasi potensial dalam elektronik fleksibel. Namun, konstruksi CH berkinerja tinggi dengan daya regang tinggi, konduktivitas listrik yang baik, dan daya rekat reversibel secara bersamaan masih tetap menjadi tantangan besar. Di sini, CH ionik dengan karakteristik di atas diusulkan melalui pengenalan asam fitat (PA) ke dalam jaringan ikatan silang semi-interpenetrasi dari poli(akrilamida-ko-N-(hidroksimetil) akrilamida) dan hidrogel kitosan. Sinergi ikatan hidrogen dan interaksi elektrostatik memberikan hidrogel yang diperoleh dengan daya regang tinggi (1131%), ketangguhan (88,32 kJ·m −3 ), dan daya rekat yang memuaskan (25,78 kPa ke kayu). Kehadiran PA memungkinkan hidrogel komposit untuk menunjukkan konduktivitas listrik yang baik. Yang mengesankan, hidrogel yang dihasilkan dapat dirakit menjadi sensor regangan yang dapat dikenakan untuk menghadirkan sensitivitas tinggi sebesar 1,32 dalam rentang respons regangan yang luas (0–1131%), waktu respons yang cepat (340 ms), dan stabilitas siklus yang sangat baik. Yang lebih penting, sensor noda yang disiapkan dapat secara tepat mengenali gerakan manusia yang rumit dan aktivitas fisiologis serta mewujudkan enkripsi informasi, menjadikan hidrogel ini kandidat yang menjanjikan untuk menyiapkan elektronik berkinerja tinggi.
1 Pendahuluan
Perangkat yang dapat dikenakan yang fleksibel telah menerima banyak minat karena aplikasi potensialnya di bidang kecerdasan buatan, pemantauan kesehatan yang dipersonalisasi, interaksi manusia-mesin, dan kulit elektronik. [ 1 – 7 ] Di antara alternatifnya, hidrogel konduktif (CH) dengan struktur jaringan 3D yang menggabungkan kesamaan dengan jaringan biologis, sifat mekanis yang dapat disesuaikan, dan respons terhadap rangsangan telah dianggap sebagai platform yang menjanjikan untuk perangkat yang dapat dikenakan yang fleksibel. [ 8 – 11 ] Namun, sensor regangan CH dengan konduktivitas listrik yang baik, kemampuan meregang yang tinggi, dan kemampuan melekat sendiri masih harus dikembangkan. [ 12 ]
Menggabungkan polimer konduktif intrinsik, seperti polipirol, polianilin (PANi), dan poli (3,4-etilendioksitiofena)-poli (stirenasulfonat), ke dalam sistem hidrogel fleksibel adalah metode umum untuk meningkatkan konduktivitas listrik hidrogel. [ 13 , 14 ] Misalnya, PANi berbantuan karboksimetil selulosa ke dalam hidrogel jaringan ganda telah dilaporkan. [ 15 ] CH yang dihasilkan memiliki konduktivitas listrik yang tinggi, pemulihan yang sangat baik, dan stabilitas lingkungan. Namun demikian, agregasi dapat terbentuk dalam jaringan polimer hidrogel karena karakteristik hidrofobik intrinsik dari polimer konduktif, yang menghambat aplikasi dalam mendeteksi deformasi mekanis yang besar dan aktivitas manusia yang berulang. Pengenalan nanomaterial karbon atau nanopartikel logam dan nanokabel ke dalam kerangka hidrogel adalah cara lain yang efisien untuk meningkatkan konduktivitas listrik hidrogel. [ 16 – 18 ] Misalnya, Lu et al. menyiapkan nanocomposite CH dengan sifat pemulihan diri yang sangat baik dan kemampuan anti-kelelahan melalui pengintegrasian serat nano selulosa yang membawa karbon nanotube ke dalam hidrogel poliakrilamid (PAM). [ 19 ] Namun, strategi pencampuran ini dapat mengakibatkan jumlah muatan atau agregasi nanopartikel yang rendah, dan masalah pemisahan fase terjadi antara fase konduktif dan hidrogel, membatasi sensitivitas regangan yang tinggi dan penerapan sensor regangan berbasis CH. [ 20 , 21 ] Selain itu, daya rekat yang sangat baik dapat membangun koneksi antarmuka yang stabil dan kuat antara kulit manusia dan sensor regangan berbasis CH, yang menguntungkan untuk menangkap sinyal penginderaan halus. [ 22 ] Akibatnya, masih menjadi tantangan untuk merancang dan membangun sensor regangan berbasis CH dengan integrasi daya regang dan ketangguhan yang tinggi, daya rekat yang memuaskan serta konduktivitas listrik yang baik.
Asam fitat (PA) adalah asam organik alami, yang dapat diekstraksi dari biomolekul yang melimpah dan tidak beracun yang diekstraksi dari biji tanaman, dan memiliki biokompatibilitas yang sangat baik. [ 23 ] PA adalah elektrolit, yang mengandung banyak gugus hidroksil dan dapat menghasilkan banyak ion H + bebas saat dilarutkan dalam air, sehingga meningkatkan konduktivitas hidrogel. [ 8 ] Selain itu, stabilitas lingkungan hidrogel secara efektif ditingkatkan dengan pengenalan PA, karena enam gugus fosfat PA dapat berikatan dengan molekul air melalui interaksi ikatan hidrogen, yang dapat mencegah kristalisasi dan penguapan air dalam hidrogel. [ 24 ] Oleh karena itu, mengintegrasikan PA ke dalam sistem hidrogel mungkin merupakan pilihan yang baik untuk keberhasilan konstruksi sensor regangan hidrogel fleksibel dengan konduktivitas listrik dan stabilitas lingkungan yang baik.
Di sini, kami merancang dan membuat sensor regangan berbasis hidrogel poli(akrilamida-ko-N-(hidroksimetil) akrilamida)/kitosan (CS) /PA (MHCP) konduktif dengan daya regang tinggi, konduktivitas listrik yang baik, dan daya rekat reversibel (Lihat detail di “Bagian Eksperimental” dalam Informasi Pendukung). Pembentukan interaksi ikatan hidrogen dan interaksi elektrostatik antara rantai molekul PA dan CS memberi hidrogel MHCP daya regang dan ketangguhan tinggi serta daya rekat yang memuaskan. Migrasi ion H + bebas yang dilepaskan dari PA membuat hidrogel MHCP yang diperoleh dengan konduktivitas ionik yang baik, yang dapat memenuhi tuntutan sensor sensitif. Sensor regangan hidrogel yang dirakit memiliki perilaku respons yang sangat baik, mewujudkan rentang respons regangan yang luas dengan sensitivitas tinggi, yang dapat secara tepat mendeteksi gerakan manusia yang rumit dan aktivitas fisiologis.
2 Hasil dan Pembahasan
MHCP CH yang sangat elastis dan berperekat dapat dibuat secara layak melalui kopolimerisasi radikal bebas satu pot. Di sini, AM, HA, CS, MBA, dan APS pertama-tama dilarutkan dalam campuran pelarut H2O dan PA. Selanjutnya, hidrogel MHCP dicapai setelah kopolimerisasi pada 60 °C selama 2 jam ( Gambar 1a ). Penggabungan PA menawarkan lingkungan asam untuk memungkinkan CS larut sepenuhnya. PA dengan gugus fosfat bermuatan negatif dapat berikatan dengan rantai molekul CS bermuatan positif melalui interaksi ikatan hidrogen dinamis dan interaksi elektrostatik, yang sangat meningkatkan kemampuan meregang dan daya rekat hidrogel MHCP yang telah disiapkan. Selain itu, pelepasan H + yang melimpah dari PA memberikan hidrogel MHCP konduktivitas yang baik.
Gambar 1
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
a) Strategi perancangan hidrogel MHCP. b) Gambar SEM, c) histogram diameter dan kurva Gaussian fitting hidrogel MHCP. d) Spektrum FTIR hidrogel CS, PAM beku-kering, dan MHCP.
Morfologi mikrostruktur hidrogel MHCP yang dihasilkan dipelajari melalui SEM dan statistik distribusi kuantitatif ukuran pori telah dilakukan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b , hidrogel MHCP yang dikeringkan beku menunjukkan struktur mikropori representatif yang saling berhubungan, yang kondusif untuk kemampuan meregang yang tinggi dan fitur respons regangan yang ditingkatkan. [ 25 ] Dibandingkan dengan struktur berpori yang longgar dari hidrogel MCP dengan ukuran pori rata-rata ≈10,2 µm (Gambar S1 , Informasi Pendukung), hidrogel MHCP menyajikan distribusi pori yang dihomogenkan sebesar ≈7,4 µm (Gambar 1c ), yang merupakan keuntungan untuk peningkatan sifat mekanis. Struktur kimia CS dan hidrogel PAM dan MHCP yang dikeringkan beku diidentifikasi melalui spektroskopi (Gambar 1d ). Spektrum CS menyajikan puncak karakteristik yang terletak pada 3420 cm −1 yang dikaitkan dengan penyerapan O─H dan getaran peregangan N─H. [ 26 ] Puncak pada 1598 dan 1078 cm −1 sesuai dengan vibrasi tekukan N─H dari ─NH 2 dan vibrasi rangka yang melibatkan peregangan ikatan C─O pada unit anhidroglukosa, masing-masing. [ 27 ] Untuk hidrogel PAM murni, puncak yang terletak pada 3428 dan 1625 cm −1 masing-masing dikaitkan dengan ─NH 2 disosiatif dan vibrasi peregangan (amida I) dari C═O. [ 22 ] Puncak pada 1052 cm −1 sesuai dengan P═O untuk hidrogel MHCP. Dibandingkan dengan hidrogel PAM, disosiatif ─NH 2 dan getaran peregangan (amida I) C═O dari hidrogel MHCP ditransfer ke 3550 dan 1697 cm −1 , masing-masing, yang menunjukkan bahwa interaksi ikatan hidrogen yang kuat terbentuk antara P(AM-co-HA), CS, dan PA.
Hidrogel MHCP menunjukkan ekstensibilitas besar, yang dapat menahan peregangan langsung dan peregangan puntir sebesar 900% regangan tanpa kerusakan ( Gambar 2a ). Seperti yang disajikan dalam Gambar 2b , hidrogel MHCP dapat mengangkat beban 100 g tanpa kerusakan yang tampak, yang menunjukkan deformabilitasnya yang sangat baik. Efek dari kandungan HA yang berbeda pada kinerja mekanis hidrogel MHCP dikuantifikasi secara sistematis (Gambar 2c ) dan konsekuensi dari parameter mekanis disajikan dalam Gambar 2d,e . Dibandingkan dengan kuat tarik rendah dari hidrogel MH 0 CP (31 kPa), hidrogel MHCP menunjukkan kuat tarik tinggi menjadi 164,47, 192,16, dan 85,92 kPa dengan peningkatan kandungan HA dari 0,6‰ menjadi 0,9‰, berturut-turut (Gambar 2d ). Namun, perpanjangan saat putus hidrogel MHCP menunjukkan pengurangan, yang menunjukkan bahwa penggabungan HA sangat meningkatkan kekuatan tarik hidrogel MHCP dan menurunkan fleksibilitas hidrogel MHCP. Ketangguhan meningkat 55,9% waktu dari 88,32 kJ·m −3 untuk hidrogel MH 0,75 CP menjadi 56,64 kJ·m −3 untuk hidrogel MH 0 CP (Gambar 2e ). Peningkatan kinerja mekanis ini dikaitkan dengan fakta bahwa jaringan ikatan silang kopolimerisasi menghasilkan konfigurasi jaringan yang lebih kompak dan lebih padat dengan peningkatan kepadatan ikatan silang dan distribusi pori yang lebih sempit dibandingkan dengan hidrogel MCP (Gambar 1b ; Gambar S1 , Informasi Pendukung). Hidrogel MH 0,75 CP menunjukkan sifat tarik optimal dengan kekuatan tarik 192,16 kPa, perpanjangan putus 1131%, dan ketangguhan 88,32 kJ·m −3 , yang digunakan untuk pengukuran selanjutnya. Lebih jauh, sifat mekanis hidrogel MHCP dibandingkan dengan hidrogel lain dalam literatur yang dilaporkan telah dirangkum (Tabel S1 , Informasi Pendukung), yang menunjukkan bahwa hidrogel MHCP kami lebih unggul daripada sebagian besar hidrogel.
Gambar 2
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Sifat mekanis hidrogel MHCP. Foto yang menunjukkan bahwa hidrogel MHCP dapat a) menahan peregangan langsung dan peregangan terpilin hingga 900% regangan dan b) menggantung beban 100 g. c) Kurva tegangan-regangan tarik khas hidrogel MHCP dan d) kekuatan tarik dan perpanjangan putus yang sesuai dari hidrogel MHCP bersama dengan e) ketangguhan hidrogel MHCP dengan kandungan HA yang berbeda. f) Kurva pemuatan-pelepasan siklik berturut-turut dan g) energi terdisipasi yang dihitung dari hidrogel MHCP pada regangan yang berbeda dari 100% hingga 900% tanpa waktu istirahat. h) Pengujian regangan 10 berkelanjutan untuk hidrogel MHCP pada regangan 500%, dan i) energi terdisipasi yang sesuai.
Pengukuran pemuatan-pembongkaran siklik dilakukan untuk menyelidiki lebih lanjut perilaku disipasi energi dan sifat ketahanan lelah hidrogel MHCP. Gambar 2f menyajikan uji pemuatan-pembongkaran siklik berkelanjutan dari hidrogel MHCP dengan regangan yang meningkat. Loop histeresis yang jelas dapat ditemukan selama proses pemuatan-pembongkaran. Jelas, energi disipasi yang dihitung dari hidrogel MHCP secara bertahap meningkat dari 3,5 menjadi 48,6 kJ·m −3 dengan peningkatan regangan dari 100% menjadi 900% (Gambar 2g ). Selain itu, histeresis mekanis hidrogel MHCP pada tingkat regangan yang berbeda dihitung berdasarkan luas kurva dengan peningkatan regangan dari 300% menjadi 900%. Histerisis mekanis pada setiap siklus pemuatan ulang berkurang dengan peningkatan regangan tarik (Gambar S2 , Informasi Pendukung), yang selanjutnya menunjukkan bahwa pemulihan penuh ikatan silang ionik tidak tercapai selama proses pembongkaran dan pemulihan lebih lambat dengan peningkatan regangan. Kurva pemuatan berikutnya tidak sepenuhnya bertepatan dengan kurva pembongkaran sebelumnya. Perilaku disipasi energi ini mungkin disebabkan oleh rekombinasi cepat parsial dari beberapa interaksi ikatan nonkovalen selama proses pemuatan. [ 28 ] Sifat ketahanan lelah yang sangat baik penting untuk stabilitas siklus elektronik fleksibel yang tahan lama. 10 siklus pemuatan-pembongkaran berturut-turut tanpa interval istirahat dilanjutkan untuk mengevaluasi kemampuan ketahanan lelah hidrogel MHCP. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2h , kurva bongkar muat siklik pertama menunjukkan loop histeresis menonjol dengan energi yang dihamburkan sebesar 13,31 kJ·m −3 , yang terutama disebabkan oleh energi yang melimpah yang dihamburkan melalui penataan ulang cepat beberapa interaksi ikatan nonkovalen dalam hidrogel MHCP. [ 16 ] Loop histeresis dari sembilan kurva siklus berikutnya kecuali siklus pertama hampir tumpang tindih, dan energi disipasi hampir tidak berubah pada ≈6,07 kJ·m −3 (Gambar 2i ), yang menggambarkan kemampuan anti-kelelahan yang luar biasa dari hidrogel MHCP karena karakteristik pemulihan diri yang cepat. [ 29 ]
Daya rekat yang andal sangat penting untuk hidrogel MHCP yang dapat dipakai untuk menghilangkan pelepasan ikatan antarmuka dan meningkatkan akurasi sinyal yang diperoleh. [ 30 ] Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a , hidrogel MHCP dapat dengan mudah melekat pada permukaan berbagai bahan, meliputi kaca, kayu, besi, dan politetrafluoroetilen (PTFE). Sementara itu, hidrogel MHCP dapat melekat dengan kuat pada permukaan kulit manusia yang tidak beraturan dan menyesuaikan dengan deformasi (Gambar S3 , Informasi Pendukung). Yang menggembirakan, hidrogel MHCP yang menempel pada kulit manusia dapat dengan mudah dan seluruhnya dihilangkan tanpa residu dan iritasi setelah 20 siklus pengelupasan (Gambar 3b ). Selain itu, uji tarik geser tumpang tindih dilakukan untuk mengevaluasi secara kuantitatif kekuatan adhesi hidrogel MHCP pada berbagai substrat (Gambar 3c ). Seperti yang ditampilkan pada Gambar 3d,e , kekuatan rekat maksimum yang diukur dari hidrogel MHCP yang dihasilkan pada kayu, besi, kaca, PTFE, dan kulit babi masing-masing adalah 25,78, 19,62, 17,90, 13,68, dan 9,66 kPa. Seperti yang ditampilkan pada Gambar 3f , terdapat sedikit variasi pada kekuatan rekat hidrogel MHCP pada kayu, besi, kaca, PTFE, dan kulit babi dalam lima siklus pengelupasan berulang, yang menggambarkan kemampuan rekat yang stabil dan dapat direproduksi. Sifat adhesi yang baik dari hidrogel MHCP ke berbagai substrat mungkin disebabkan oleh keberadaan gugus hidroksil, gugus amino, gugus amida, dan -P(OH)3 yang melimpah di rantai polimer, yang menyediakan sejumlah besar situs aktif yang dapat membentuk interaksi non-kovalen reversibel (termasuk ikatan hidrogen, interaksi elektrostatik, dan ikatan koordinasi) dengan berbagai substrat (Gambar S4 , Informasi Pendukung), yang meningkatkan disipasi energi dan membantu menahan tegangan geser, sehingga meningkatkan kekuatan adhesi keseluruhan.
Gambar 3
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Perilaku daya rekat hidrogel MHCP. a) Foto-foto yang memperlihatkan daya rekat kuat hidrogel MHCP pada berbagai bahan, termasuk kaca, kayu, besi, dan PTFE. b) Foto-foto hidrogel MHCP yang menempel pada lengan relawan dan tidak meninggalkan residu serta tidak menimbulkan iritasi setelah 20 kali pengelupasan. c) Diagram skema uji geser tumpang tindih. d,e) Kekuatan rekat khas hidrogel MHCP pada berbagai substrat. f) Pengujian daya rekat berturut-turut hidrogel MHCP pada berbagai substrat.
Dikaitkan dengan pelepasan H + bebas yang melimpah dari PA, hidrogel MHCP memiliki konduktivitas yang baik, yang membuat hidrogel berfungsi sebagai substrat konduktif untuk sensor regangan fleksibel. PA sebagai asam organik kuat menahan banyak ion hidrogen bebas (H + ) dari ionisasinya yang cukup dalam hidrogel yang berlimpah air. H + ionik dapat menghasilkan migrasi terarah melalui matriks polimer di bawah tegangan tertentu, yang akan memberikan kualitas konduktif intrinsik pada hidrogel MHCP tanpa mencampur konduktor ekstrinsik apa pun. Spektrometri impedansi elektrokimia dilakukan untuk mengukur konduktivitas ionik hidrogel MHCP dan diagram Nyquist disajikan dalam Gambar S5 , Informasi Pendukung. Hidrogel MHCP memiliki konduktivitas ionik sebesar 10,9 mS·cm −1 . Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a , hidrogel MHCP memungkinkan indikator LED yang terhubung untuk menghasilkan variasi kecerahan yang sinkron selama proses peregangan dan pemulihan, yang secara visual menunjukkan kemampuan hidrogel MHCP untuk digunakan sebagai sensor regangan. Sensitivitas regangan hidrogel MHCP dievaluasi oleh faktor pengukur (GF), yang dihitung berdasarkan kemiringan perubahan resistansi relatif (ΔR/R 0 ) dan regangan yang diregangkan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b , sensor regangan hidrogel MHCP yang disiapkan memiliki responsivitas yang bergantung pada regangan, yang dapat dibagi menjadi dua daerah respons linier yang jelas: GF rendah sebesar 0,69 pada rentang regangan 0–456% dan GF tinggi sebesar 1,32 pada rentang regangan 456–1131%, yang menunjukkan sensitivitas tinggi dan rentang respons regangan yang lebar dari hidrogel MHCP. Perilaku respons ketahanan regangan hidrogel MHCP selama proses deformasi terutama disebabkan oleh perubahan jaringan konduktif 3D untuk variasi mikrostruktur polipori untuk konduksi ion. Pada tahap awal, mikrostruktur polipori mendorong transmisi ion bebas yang efisien, yang menghasilkan konduktivitas yang baik. Saat diregangkan, penurunan luas penampang hidrogel MHCP semakin memperlambat pengangkutan ion bebas karena efek Poisson, yang menyebabkan peningkatan resistensi. [ 31 ]
Gambar 4
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Perilaku respons regangan hidrogel MHCP. a) Gambar yang menunjukkan variasi kecerahan LED yang dihubungkan dengan hidrogel MHCP selama proses peregangan dan pelepasan. b) Nilai ΔR/R0 hidrogel MHCP versus regangan yang diregangkan. c) Waktu respons dan pemulihan hidrogel MHCP pada regangan 2%. d) Perilaku respons hidrogel MHCP di bawah regangan yang bervariasi secara bertahap. e) Pengukuran stabilitas respons penginderaan hidrogel MHCP pada regangan 100–900%. f) Perilaku respons siklik hidrogel MHCP di bawah regangan 50%.
Gambar 4c menunjukkan bahwa hidrogel MHCP memiliki responsivitas dan kemampuan pemulihan yang baik. Waktu respons dan pemulihan hidrogel MHCP pada regangan yang telah ditetapkan sebesar 2% selama proses peregangan dan pelepasan masing-masing adalah 340 dan 370 ms, yang tidak diragukan lagi memudahkan deteksi aktivitas manusia secara real-time. [ 22 ] Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4d , hidrogel MHCP diregangkan dengan regangan bertahap dari 0 hingga 70% dan selanjutnya dipulihkan hingga 0% dengan kecepatan regangan 100 mm·min −1 dan waktu stasioner 10 d. Tidak ada fluktuasi sinyal respons yang jelas atau histeresis dalam bentuk gelombang yang diamati saat regangan meningkat/menurun secara bertahap, yang menunjukkan bahwa hidrogel MHCP memiliki stabilitas yang baik dan kemampuan deteksi seketika sebagai sensor regangan. Yang mengesankan, hidrogel MHCP tetap memiliki reversibilitas penginderaan regangan yang luar biasa pada regangan dari 100% hingga 900% (Gambar 4e ), yang menggambarkan stabilitas dan keandalan penginderaannya yang sangat baik. Yang menarik, siklus regangan-relaksasi dari regangan yang berbeda (100%, 300%, 600%, dan 900%) dilakukan untuk mencapai Δ R / R 0 versus regangan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar S6 (Informasi Pendukung), berbeda dari jaringan konduktif yang dibangun oleh pengisi konduktif, mekanisme konduktif terutama dikaitkan dengan resistansi kontak dan/atau resistansi tunneling. Kurva peregangan dan pelepasan hidrogel MHCP pada regangan 100%, 300%, 600%, dan 900% sangat kebetulan, yang terutama terkait dengan karakteristik konduktif ionik dari sensor regangan berbasis hidrogel MHCP. Ketika hidrogel MHCP diregangkan, resistansinya meningkat dengan cepat karena penampang hidrogel menjadi sempit, yang memperlambat transmisi ion. Setelah hidrogel dilepaskan, ia dapat kembali ke bentuk aslinya dan memperoleh resistansi aslinya. Oleh karena itu, efek histeresis sensor hidrogel MHCP relatif rendah. Selain itu, hidrogel MHCP juga dapat menjaga stabilitas sinyal listrik keluaran yang sangat baik selama 500 siklus pemuatan-pembongkaran berkelanjutan pada regangan 50%, yang selanjutnya menunjukkan keandalan dan reproduktifitas hidrogel MHCP yang sangat baik (Gambar 4f ). Lebih jauh, seperti yang ditunjukkan pada Gambar S7 (Informasi Pendukung), kapasitas retensi air yang baik dari sensor MHCP dalam kondisi yang berbeda juga bermanfaat untuk stabilitas penginderaan yang baik dari sensor hidrogel. Khususnya, sensor hidrogel MHCP yang kami hasilkan menghadirkan keuntungan besar dibandingkan sensor hidrogel lain yang dilaporkan sebelumnya dalam hal ketangguhan, sensitivitas regangan maksimum, rentang respons regangan, waktu respons, dan kekuatan adhesi (Gambar S8 dan Tabel S2 , Informasi Pendukung).[ 32 – 38 ]
Berkat fitur mekanis yang menguntungkan dan kinerja respons regangan yang luar biasa, hidrogel MHCP dapat berfungsi sebagai sensor regangan yang dapat dikenakan untuk mendeteksi aktivitas manusia yang rumit. Khususnya, daya rekat hidrogel MHCP yang sangat baik memungkinkannya untuk langsung menempel pada berbagai bagian tubuh manusia dan menyesuaikan gerakan sendi secara selaras. Hidrogel MHCP sensitif terhadap gerakan otot yang halus. Misalnya, bentuk gelombang respons listrik yang dapat dibedakan dan diulang dapat segera dan akurat dikenali ketika relawan minum air ( Gambar 5a ) atau mengucapkan kata bahasa Inggris “Halo” berulang kali (Gambar S9 , Informasi Pendukung), yang menunjukkan sensitivitas tinggi dan kemampuan respons cepat dari hidrogel MHCP. Sensor hidrogel juga dapat mendeteksi gerakan sendi manusia yang kuat. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b , sinyal penginderaan dapat diidentifikasi secara tepat ketika jari telunjuk relawan menekuk sudut yang berbeda (30°, 60°, dan 90°). Sementara itu, bentuk gelombang respons yang stabil dan berulang dapat ditangkap ketika relawan menekuk jari telunjuknya pada sudut tertentu, yang menggambarkan stabilitas dan keandalan yang sangat baik. Selain itu, ketika sensor ditempelkan pada lutut relawan, pola respons resistensi yang stabil dan dapat direproduksi dapat dikumpulkan secara akurat dan frekuensi tekukan yang sesuai juga dapat dibedakan secara tepat menurut jumlah puncak respons dalam waktu tertentu (Gambar 5c ), yang menunjukkan potensi hidrogel MHCP kami untuk mendeteksi status gerakan. Sebagai demonstrasi, hidrogel MHCP juga dapat ditempelkan pada siku relawan untuk mendeteksi secara tepat gerakan sendi yang relevan (Gambar S10 , Informasi Pendukung).
Gambar 5
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Aplikasi sensor regangan yang dapat dikenakan dari hidrogel MHCP yang dirakit untuk mendeteksi gerakan manusia. Deteksi sinyal respons berulang termasuk a) air minum, b) tekukan jari, dan c) tekukan lutut. d&e) Diagram skema mekanisme enkripsi informasi berdasarkan kode Morse Internasional. Hidrogel MHCP mengeluarkan kata-kata bahasa Inggris yang berbeda: f) “SOS”, g) “NICE”, dan h) “VICTORTY”.
Kemampuan komunikasi cerdas dari sensor regangan hidrogel MHCP juga ditunjukkan. Pembengkokan berkelanjutan dan pelurusan cepat menghasilkan aliran puncak respons penginderaan yang terus-menerus, yang dapat dikenali sebagai “garis putus-putus” dan “titik” kode Morse (Gambar 5d,e ). “Garis putus-putus” dan “titik” disusun dan dikombinasikan untuk mencapai transmisi sinyal keluaran yang spesifik. Menurut prinsip di atas, kata-kata bahasa Inggris “SOS” (Gambar 5f ), “NICE” (Gambar 5g ), dan “VICTORY” (Gambar 5h ) dapat dienkripsi dan diterjemahkan dengan mengendalikan gerakan jari, yang menunjukkan bahwa hidrogel MHCP memiliki potensi untuk mengenkripsi transmisi informasi.
3 Kesimpulan
Singkatnya, jaringan ionik CH semi-interpenetrasi MHCP dengan daya regang tinggi, daya rekat antarmuka yang kuat, konduktivitas listrik yang memuaskan, dan ketangguhan tinggi berhasil dibangun melalui metode satu langkah yang mudah. Karena banyaknya ikatan hidrogen dan interaksi elektrostatik, hidrogel MHCP yang kami peroleh menunjukkan daya regang tinggi (1131%), ketangguhan, dan daya rekat reversibel. Yang terpenting, hidrogel MHCP yang dirakit menunjukkan perilaku respons regangan yang sangat baik dengan sensitivitas tinggi sebesar 1,32 dengan rentang penginderaan yang luas (hingga 1131%). Yang mengesankan, sensor regangan hidrogel MHCP yang dapat dikenakan dapat secara akurat mendeteksi aktivitas manusia skala penuh dan mewujudkan enkripsi sinyal melalui kode Morse, yang menunjukkan aplikasi yang menjanjikan dalam elektronik pintar yang dapat dikenakan.
Tinggalkan Balasan