Nature-inspired ionic conductors based on supramolecular nanofibril are developed for flexible and stretchable strain/pressure sensors.

Nonconventional biomacromolecular luminogens have attracted extensive interest due to their fundamental importance and potential applications in diverse areas. To explore novel luminogens and, moreover, to gain deeper insights into their emission mechanism, we study the emission behaviors of sodium alginate (SA), a natural anionic polysaccharide composed of mannuronic (M) and guluronic acids (G). We find that the luminescence from aqueous SA solutions exhibits distinct concentration enhanced emission and aggregation-induced emission (AIE) characteristics. Meanwhile, the ratio of M/G also matters. Rheological measurements reveal the distinct regimes of the solutions, which are consistent with the observed emission, indicative of strong association between the chain entanglement and emission. Moreover, we observe persistent room temperature phosphorescence (RTP) in the amorphous SA solids, which is a rare case even in pure organic aromatic luminogens. Such unique emission can be remarkably enhanced via coordination with Ca2+ ions. These emission behaviors can be well rationalized by the clustering-triggered emission (CTE) mechanism. Namely, the emission is caused by the electron cloud overlap due to the clustering of oxygen atoms and carboxylate units, together with conformation rigidification. Owing to its biocompatibility, intrinsic emission, and, moreover, persistent RTP, SA shows great potential for anticounterfeiting, encryption, intracellular imaging, and so on.

Herein, we demonstrate a ternary ionic hydrogel sensor consisting of tannic acid, sodium alginate, and covalent cross-linked polyacrylamide as skin-mountable and wearable sensors. Based on the multiple weak H-bonds and synergistic effects between the three components, the as-prepared hybrid hydrogel exhibits ultrastretchability with high elasticity, good self-healing, excellent conformability, and high self-adhesiveness to diverse substrates both in air and underwater. More importantly, the ternary hydrogel exhibits high strain sensitivity especially under subtle strains with a gauge factor of 2.0, which is close to the theoretical value of the ionic hydrogel sensors; an extremely large workable range of strain (0.05-2100%); and a low operating voltage 0.07 V. Consequently, the sensor demonstrates superior sensing performance for real-time monitoring of the large and subtle human motions, including limb motions, swallowing, smiling, and wrist pulse. Therefore, it is believed that the STP hydrogel has great potential applications in health monitoring, smart wearable devices, and soft robots.

Achieving persistent room-temperature phosphorescence (p-RTP), particularly those of tunable full-colors, from pure organic amorphous polymers is attractive but challenging. Particularly, those with tunable multicolor p-RTP in response to excitation wavelength and time are highly important but both fundamentally and technically underexplored. Here, a facile and general strategy toward color-tunable p-RTP from blue to orange-red based on amidation grafting of luminophores onto sodium alginate (SA) chains, resulting in amorphous polymers with distinct p-RTP and even impressively excitation-dependent and time-dependent afterglows is reported. p-RTP is associated with the unique semi-rigidified SA chains, effective hydrogen bonding network, and oxygen barrier properties of SA, whereas excitation-dependent and time-dependent afterglows should stem from the formation of diversified p-RTP emissive species with comparable but different lifetimes. These results outline a rational strategy toward amorphous smart luminophores with colorful, excitation-dependent, and time-dependent p-RTP, excellent solution processability, and film-forming ability for versatile applications.

The design of materials that can mimic the complex yet fast actuation phenomena in nature is important but challenging. Herein, we present a new paradigm for designing responsive hydrogel sheets that can exhibit ultrafast inverse snapping deformation. Dual-gradient structures of hydrogel sheets enable the accumulation of elastic energy in hydrogels by converting prestored energy and rapid reverse snapping (<1 s) to release the energy. By controlling the magnitude and location of energy prestored within the hydrogels, the snapping of hydrogel sheets can be programmed to achieve different structures and actuation behaviors. We have developed theoretical model to elucidate the crucial role of dual gradients and predict the snapping motion of various hydrogel materials. This new design principle provides guidance for fabricating actuation materials with applications in tissue engineering, soft robotics, and active medical implants.

Ligaments are a unique wet biological tissue with ultrahigh tensile strength, modulus, and flexural flexibility. Developing artificial materials with similar properties is important but challenging. Herein, we present a novel swelling-permeation strategy for preparing high-performance fiber reinforced composite hydrogels capable of mimicking the ligaments. Through pre-swelling the meta-aramid fibers in good solvents to vastly boost their porosity, large amounts of pre-gel solution can permeate into the pores of fibers during the soaking process. After the polymerization of pre-gel solutions inside and around fibers, the interpenetrating networks form directly between the hydrogel matrix and meta-aramid fibers. The mechanical interlock and abundant hydrogen bond of interpenetrating networks enable the generation of strong interfacial binding between hydrogels and fibers. In consequence, the as-prepared composite hydrogel has high tear resistance (405.30 kJ/m2), tensile strength (125 MPa), and modulus (218 MPa), superior to previously reported composite hydrogels. Meanwhile, the resulting composite hydrogels have outstanding flexibility and good biocompatibility, thereby exhibiting great potential as artificial ligaments. The preparation method proposed in this paper is simple, controllable, and scalable, which opens up the possibility of large-scale production of artificial ligaments.

Abstract Ionic diode‐based generators show great superiority in harvesting low‐frequency mechanical energy from human motions for various wearable applications. The major challenge is to improve their extremely limited output voltage for the miniaturization/simplicity of ionic diode‐based self‐powered devices as well as further improvement of mechanoelectric conversion performance. Herein, the construction of gradient polycation/polyanion heterojunction is demonstrated to vastly boost the output voltage, energy‐harvesting efficiency, and sensing performance of ionic diode. Besides an inherent potential at the polyanion/polycation heterojunction interface, the additional transmembrane potentials can be generated across gradient polyanion and polycation conductors of ionic diodes due to their gradient charge distribution. Consequently, the gradient ionic diode‐based generators produce much higher output voltage (306.53 mV) than previously reported homogeneous ones (4.1–135 mV). Meanwhile, the high output voltage imparts gradient ionic diode‐based generator with ultrahigh power density (50.16 µW cm − 2 or 250.8 µW cm −3 ) and pressure‐perception sensitivity (43582 mV/MPa), which are dramatically increased by 162.76% and 128.71%, respectively, compare to those of homogeneous one. Impressively, the resulting diode‐based generators can generate ultralarge current density (≈0.52 mA cm −2 ) with ultralong discharge time (>400 s), thus enabling the continuous power generation under the low‐frequency pressure for various wearable and implantable applications.