柔性电子和可穿戴式传感器的日益增长的需求正在推动新型电子材料、工艺技术和集成设计的发展。这些电子设备在传感器、人机界面、软机器人、人工智能等方面大放异彩。水凝胶材料由于内部含有大量水所以具有优异的柔韧性，使其成为构筑柔性电子器件的优选材料。其中各向异性导电水凝胶材料的研发与构筑有助于实现电信号高精度的定向传输、逻辑计算、传感和驱动。然而，如何大幅度提高水凝胶材料的各向异性程度是一项巨大的挑战。
近日，吉林省结构与功能材料科技创新中心团队在双一区期刊《Composites Part B》上，发表了最新研究成果“Electrospun green fluorescent-highly anisotropic conductive Janus-type nanoribbon hydrogel array film for multiple stimulus response sensors”。研究者设计并采用并行电纺技术构筑了[CB/GE]//[DF/GE] Janus型纳米带水凝胶膜。通过对 Janus 型纳米带的组成和排列进行微观设计和调控，有效地分离了导电材料和绝缘材料，从而使样品具有高各向异性的导电性和明显的绿色荧光。该水凝胶的设计思路和构建技术突破了导电水凝胶材料各向异性程度低的技术瓶颈。
通过静电纺丝技术和化学交联制备了[CB/GE]//[DF/GE] Janus型纳米带水凝胶膜。Janus纳米带在水凝胶膜中紧密排列并且高度取向。通过OM照片观察到CB分布在黑色一侧，DF分布在黄色一侧。同时采用EDS线分析[DF/GE]//[CB/GE] Janus型纳米带的元素分布，Br元素只存在于Janus纳米带的右侧。通过OM照片和EDS线分析说明Janus纳米带被成功地制备了。利用Janus结构可以实现导电物质和绝缘物质的有效分离。
图1静电纺丝装置及水凝胶的制备过程示意图(a), JNAF和JNHAF的扫描电镜照片(b, c), JNHAF中Janus型纳米带的OM照片(d)和EDS线扫描分析(e)
图2 试样沿(a)平行方向和(b)垂直方向拉伸试验示意图;(c, d) JNHAF和JNAF在拉伸平行和垂直方向上的应力-应变曲线，(e, f)不同方向上JNHAF的循环恢复系数。
分别测试了沿Janus型纳米带取向方向和垂直于Janus型纳米带取向方向试样的拉伸性能。与聚合前相比，JNHAF比具有更优异的力学性能，这是其在柔性电子器件中应用的先决条件。JNHAF沿平行方向拉伸50次和沿垂直方向拉伸20次后的恢复性能良好。与垂直方向相比，平行方向的水凝胶具有良好的力学性能，使JNHAF在适当的拉伸范围内具有良好的弹性变形，这将有助于水凝胶作为柔性传感器的回收利用。
图3 (a、b)不同GE/DF质量比时JNHAF的激发光谱和发射光谱
图4 JNHAF传感器在不同CB含量，光照，应变以及温度下的相对电阻随时间变化曲线(a-d), 不同手指弯曲角度下JNHAF相对电阻随时间变化曲线(e), 水凝胶作为柔性应变传感器监测人体不同关节运动，包括手指(f)，手关节(g)，手腕(h)，肘关节(i)
JNHAF具有优异的绿色荧光以及各向异性导电，其各向异性导电程度最高可达1.12×105。此外，JNHAF同时对光照、温度和应变具有一定的响应，其组装传感器用于人体关节运动检测，如手指、手部关节、手腕和肘部有明显的电信号变化，这为构建具有各向异性结构的多模态响应应变传感器提供了可能。
齐海娜老师和研究生景雪莲为该项成果的第一和第二作者。本工作的研究有助于为多功能高各向异性导电水凝胶材料的发展提供新的路线和技术支持，为未来纳米技术、纳米器件及相关技术领域的发展提供新的物质基础。
