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중국 톈진(天津, 천진) 대학교 펑워이(封偉, 봉위) 교수 연구팀은 최근 관련 연구를 실행하는 과정에서 일종 신형의 스펀지(sponge) 상태의 다공성 하이드로겔 도체(Porous hydrogel conductor)를 개발하였는데 동 도체는 자가 치유 능력, 다양한 감각과 우수한 기계적 성능을 보유하고 있는 것으로 나타났으며, 아크릴산을 반응 단일체로 사용하면 액체 상태 금속은 자체 회복 슈퍼 분자 하이드로겔 네트워크의 형성을 추진할 뿐만 아니라 산화 그래핀을 환원시켜 전자 전도 네트워크를 형성하고 하이드로겔 속에서 매크로포어(Macropore) 구조를 형성 할 수 있는 것으로 나타났음.

이런 구조는 하이드로겔 도체로 하여금 높은 압축 민감도(0.85 kPa-1 수준에 달함)를 보유할 수 있도록 하며, 폭넓은 응변 민감도(400%를 초월함)와 기타 다양한 감각을 보유할 수 있도록 하는 것으로 나타났는데 예를 들면 온도 변화에 대한 높은 민감성은 용매 변화의 응답 및 대기 음압(진공)에 대해 감지할 수 있도록 하는 것으로 나타났음. 

그 외, 우수한 자가 치유 능력은 내구성을 한층 더 향상시키는 것으로 나타났으며, 이런 독특하고 다양한 감각은 복잡한 인공 플렉시블 설비 개발을 위해 밝은 전망을 제공할 것으로 전망되고 있는 상황임.

연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 일종 액체 상태 금속(LM)으로 개발한 스펀지에서 아이디어를 받아 다공성 하이드로겔을 개발하였는데 동 하이드로겔은 자가 치유가 가능하며, 다양한 감각과 높은 인장 특성을 보유하고 있는 것으로 나타났으며, 갈륨(Ga) LM의 특성을 이용하여 접착 과정에서 매크로포어(Macropore)와 전기 전도 네트워크를 동시에 형성하고, 복합 하이드로겔의 매력적인 종합 성능을 실현할 수 있는 것으로 나타났음.

슈퍼 분자 폴리프로필렌산-LM/환원 산화 그래핀(PAA-LM/rGO) 하이드로겔을 디자인하는 전략에 근거하여 아크릴산(AA)을 반응성 단일체로 사용하게 되는데 이런 상황은 산성 환경을 발생시킬 수 있고, 주로 –COOH 이온화(ionization)로 인해 발생하게 되며, 이러한 조건에 기반 하여 Ga LM은 산화 그래핀(GO)의 탈산 반응을 촉발시켜 rGO를 형성하고 LM/rGO 불순물의 전자 전도 네트워크를 형성할 수 있는 것으로 나타났음. 

동시에 Ga LM은 과황산암모늄(APS)의 존재 하에서 PAA의 중합을 발생시키는 것으로 나타났는데 동 과정 속에서 Ga LM과 H+ 사이의 반응은 수소 기포와 Ga3+를 생성시킬 수 있는 것으로 나타났으며, PAA 속에서 Ga3+와 –COO- 기능 그룹이 결합되기 때문에 슈퍼 분자 하이드로겔 네트워크를 형성하게 되는데 그 중 수소 기포도 포함되어 하이드로겔 매트릭스(matrix) 내부에서 미세다공성(micropore) 구조를 형성시키는 것으로 나타났음.

동 시스템 속에서 Ga LM는 플렉시블한 전도 충전재와 다공성 구조를 보유하고 있는 하이드로겔이 공동으로 유도제를 형성하여 높은 연장 특성과 양호한 탄성 및 우수한 자가 치유 능력을 보유하고 있는 복합 하이드로겔을 형성하는 것으로 나타났으며, 응력/응변 센서로 사용할 때 이런 하이드로겔은 높은 압축 민감성과 폭넓은 응변 민감성을 보유하고 있는 것으로 나타났음.

연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 합리적인 디자인 전략을 사용하였기 때문에 연구팀이 개발한 하이드로겔은 기타 다양한 감각 기능 능력을 보유하고 있는 것으로 나타났는데 예를 들면 온도, 용매, 심지어 진공 변화에도 민감한 것으로 나타났으며, 진공에 민감한 플렉시블 센서에 대해 지금까지 관련 연구가 거의 진행되지 않은 상황인데 연구팀은 향후 차세대 인공 플렉시블 설비의 자가 치유 능력을 보유한 멀티 센서 하이드로겔 센서 디바이스 개발을 위해 중요한 기반을 구축하고 있는 상황임.

본 연구 성과는 Journal of Materials Chemistry A("Liquid metal-created macroporous composite hydrogels with self-healing ability and multiple sensations as artificial flexible sensors")에 게재됨.