有序微结构自供电水凝胶的构建及力电响应机制研究

Self-powered hydrogel nanocomposites are being developed as interface for connecting biological organs and electronics because of their flexibility, biocompatibility, and electromechanical behaviours, which allow environmental stimulations to be converted into electronic signals. Although very promising, the applications of such hydrogel materials are restricted by poor energy converting efficiency and deficient systematic characterisation on their electromechanical behaviour. The vision of this project is to improve the energy converting efficiency and detecting sensitivity, through constructing and investigating hydrogel composites with ordered nanostructure. Theoretical models and characterisations on the electromechanical properties of such hydrogel will be established, to assist the understanding of the electro-conductive and energy harvesting mechanisms. The hydrogel nanocomposite synthesised in this project will be designed and fabricated as flexible multifunctional devices, which enables energy harvest or self-powered detect with high converting efficiency. Overall, the project will provide theoretical basis, design guidelines, and technical support for the development of soft bioelectronics, thus unlocking the potential of self-powered hydrogel nanocomposites.

纳米自供电水凝胶因其既具有生物材料的特性又具有将环境激励转换为电信号的能力而被视为连接生物体和电子器件的重要界面材料，在自供电传感和生物能量收集领域有着非常好的应用前景。然而，目前大多数相关研究存在材料能量转换效率低、对材料的力电响应特性缺乏统一化表征等问题，限制了其应用范围。本课题从纳米复合调控的角度出发，构建三个维度下的典型有序微结构的自供电水凝胶，重点研究其微结构与自供电效应的构效关系；结合分子动力学和经典力学多尺度仿真方法，建立能将其力学和电学特性从本质上联系起来的系统表征与理论模型，揭示其力电响应规律，从而指导材料性能的优化；利用其能量转换的特点设计并制备可穿戴式自供电传感器作为理论验证。通过本项目的研究，可以明确自供电水凝胶的力电响应机制，优化并提高其能量转换效率，为释放纳米自供电水凝胶材料在柔性生物电子领域的潜能提供新的理论基础、实验依据以及技术支撑。

纳米自供电水凝胶因其既具有生物材料的特性又具有将环境激励转换为电信号的能力而被视为连接生物体和电子器件的重要界面材料，在自供电传感和生物能量收集领域有着非常好的应用前景。然而，目前大多数相关研究存在材料能量转换效率低、对材料的力电响应特性缺乏统一化表征等问题，限制了其应用范围。本项目以有序自供电水凝胶作为研究对象，对其力电响应特性和微观作用机制进行理论计算及应用模式探究。.在总结前期研究的基础上，指出了利用传统合成方法制成的各向同性纳米复合凝胶材料力电响应特性不明显的问题；通过比较多种纳米填料对复合凝胶体系的力学与电学特性的影响，得出问题根源在于无规则排列的纳米填料在复合材料中无法完全表现出其所期望的物理特性。项目从调控复合材料内部的纳米填料行为出发，以碳纳米管CNT为典型一维纳米填料，利用层流的液体切应力构建有序微结构的自供电水凝胶，重点研究了微结构与自供电效应的构效关系，并提出了量化方法，计算出能够表征自供电水凝胶力电关系的耦合矩阵；基于此耦合矩阵，建立起了将一维纳米复合材料力学和电学特性从本质上联系起来的系统表征与理论模型，揭示了其力电响应规律；最后，依据有序微结构纳米复合水凝胶材料的特点设计了若干种可穿戴的自供电传感器和柔性功能器件原型，作为理论验证和应用探索。.通过本项目的研究，我们明确了自供电水凝胶的力电响应机制，提出了一种能够表征自供电水凝胶力电耦合关系的理论模型，用于指导能量转换效率的优化；为释放纳米自供电水凝胶材料在柔性生物电子领域的潜能提供新的理论基础、实验依据以及技术支撑。