随着电子皮肤、健康管理、极端压力监测等需求的不断增长，宽响应范围柔性压敏电子器件的研发日益迫切。近年来，柔性气凝胶基压敏电子器件由于轻质和优良传感性能而备受关注。然而，气凝胶的可拉伸性和弹性通常较差，且目前柔性压敏电子器件检测范围通常较窄，难以满足宽范围压力传感的实际需求。宽响应范围高性能柔性压敏电子器件的构建充满挑战。

鉴于此，材料科学与工程学院祖国庆课题组采用溶胶-凝胶/热压/冷冻铸造/常压干燥的新策略，构建了具有梯度模量多孔结构的可拉伸、超弹性还原氧化石墨烯（rGO）/聚氨酯（PU）纳米复合气凝胶（图1），实现了超宽响应范围柔性压敏电子器件。相关研究成果以“Bioinspired gradient stretchable aerogels for ultrabroad-range-response pressure-sensitive wearable electronics and high-efficient separators”为题发表在Angew.Chem.Int.Ed.上，并被选为VIP论文。

图1 气凝胶的梯度结构和机械性能

该梯度气凝胶由三层不同模量的rGO/PU气凝胶构成。通过热压法得到的高模量rGO/PU气凝胶层有效减缓高压力下的电阻变化饱和趋势，有效提升其压力检测上限。低模量rGO/PU气凝胶层在低压力下具有高的电阻变化率，有效降低其压力检测下限。因此，所得梯度气凝胶压敏电子器件展现出破纪录的1 Pa-12.6 MPa的极宽响应范围，并具有极好的抗疲劳性能（图2）。

图2 梯度气凝胶压敏电子器件的压力传感性能

该梯度气凝胶基压敏电子器件可用于监测各种人体运动/生理信号和汽车轮胎的极端压力，并且穿戴在仿生手上可实现机器人或假肢的宽范围触觉感知（图3）。此外，该梯度气凝胶还具有优异的分离性能，可作为梯度分离介质进行污水净化。该工作提供了一种构建柔性梯度材料的通用策略，为下一代可穿戴电子器件、传感器、吸附/分离、电磁屏蔽、储能等研究提供了新思路。

图3 梯度气凝胶压敏电子器件用于监测人体运动/生理信号以及宽范围触觉感知仿生手

论文第一作者为材料科学与工程学院博士生张小宇，通讯作者为博士生导师祖国庆。课题组从事基于多孔材料（如气凝胶和离子凝胶）的柔性可穿戴电子器件、智能传感、储能、热管理等方面的研究。目前在Angew. Chem. Int. Ed.,ACS Nano,ACS Mater. Lett.等期刊发表学术论文29篇。曾担任Frontiers in Materials客座副主编。多项研究成果得到了EurekAlert,Wiley Newsroom等国外权威媒体的高度评价。

同济大学材料科学与工程学院