Designing Highly-Stretchable and Conductive PVA/Xanthan Gum Based Hydrogels for Energy Harvesting and Wireless Sensing Applications

Abstract

Developing materials for energy harvesting and sensing requires balancing transparency, flexibility, biocompatibility, self-healing, and biodegradability—properties that conventional materials often lack. Ion-conductive hydrogels, with biomimetic structures and tunable mechanics, offer a promising alternative. This study introduces a novel hydrogel made from biocompatible polyvinyl alcohol (PVA) and xanthan gum (XG), synthesized via dual cross-linking—chemical cross-linking with glutaraldehyde and physical cross-linking through freeze-thawing—to achieve both flexibility and mechanical strength. A sodium persulfate (Na₂S₂O₈) post-treatment boosts its electrical conductivity without compromising structural integrity. The resulting hydrogel combines mechanical strength, flexibility, and conductivity, ideal for wearable devices in energy harvesting and sensing. Its capacity to generate electricity from seawater osmotic energy, leveraging ionic gradients, positions it as an innovative solution for marine renewable energy. Furthermore, its wireless sensor compatibility enables real-time data transmission, making it highly useful in remote or challenging environments. This multifunctional hydrogel, from osmotic energy harvesting to flexible sensing, is a leading material for eco-friendly, next-generation smart devices. Keywords : PVA, Xanthan Gum, Hydrogel, Energy Harvesting, Wireless Sensor|이 연구에서는 투명성, 유연성, 생체 적합성, 자가 치유, 생분해성 등 다양한 특성의 균형이 필요한 에너지 수확 및 감지 기술을 위한 새로운 이온 전도성 하이드로젤을 제안합니다. Poly Vinyl Alcohol (PVA)과 Xanthan Gum (XG)으로 구성된 이 하이드로젤은 생체 모방 구조와 조정 가능한 기계적 특성을 가지며, 글루타르알데히드와의 화학적 가교 및 동결-해동에 의한 물리적 가교를 통해 유연성과 강도를 동시에 달성합니다. Sodium Persulfate (Na₂S₂O₈)로 후처리하여 전도성을 향상시키며, 바닷물의 삼투압 에너지를 이용해 전기를 생산하고 이온 구배를 통한 에너지 수확이 가능해 해양 재생 에너지에 적합한 혁신적 솔루션을 제공합니다. 무선 센서와의 호환성 덕분에 외딴 환경이나 혹독한 조건에서도 실시간 데이터 전송이 가능하여 웨어러블 기기용 감지 소재로서 이상적입니다. 키워드 : PVA, 잔탄 검, 하이드로겔, 에너지 하베스팅, 무선 센서