导     语

水凝胶因其与生物组织相似的机械和电学性质,在柔性电子和软体机器人领域备受瞩目。然而,如何在保持高拉伸性和柔韧性的同时,实现高离子电导率,是该领域面临的关键挑战。近日,剑桥大学化学家们利用超分子化学,巧妙地将动态交联引入带电聚合物网络,开发出兼具优异力学性能和高电导率的新型水凝胶,并将其组装成全水凝胶柔性电源,展现出广阔的应用前景。

1、研究背景

传统水凝胶虽然柔软,但拉伸性和离子电导率普遍较低,限制了其在柔性电子中的应用。超分子聚合物网络利用动态非共价键实现能量耗散,因而具有高延展性、压缩性、注射性和自愈合性,但其本征离子电导率仍不理想(约10^-3 S/cm)。这主要源于大多数超分子水凝胶使用中性丙烯酰胺类单体,体系内缺乏可动离子。引入带电单体虽然可提高离子浓度和滞留,但会引起电荷屏蔽,破坏超分子相互作用。因此,在保持优异力学性能的同时提高离子电导率,是实现高性能水凝胶电子器件的关键。

2、研究概述

Scherman教授团队巧妙利用CB[8]主-客体相互作用中的离子-偶极效应,克服了带电单体的电荷屏蔽,成功制备了一系列阴离子型、阳离子型、两性离子型和酸性聚合物骨架的超分子聚离子水凝胶(SPIN)。动态可逆的三元CB[8]配合物赋予SPIN高达1500%的拉伸性、90%的压缩性、快速自恢复性以及高达0.1 S/cm的离子电导率,显著优于已报道的体系。

超分子聚离子水凝胶的分子设计（图片来自论文）

流变学表征表明SPIN具有可调的粘弹性,储能模量和损耗模量随离子含量和交联比例而变化。应力松弛实验测得SPIN的激活能(15.2 kcal/mol)与人体肌肉蛋白titin的I27结构域相当,表明其优异的能量耗散性能。

SPIN的流变学表征（图片来自论文）

拉伸和压缩测试进一步证实,所有SPIN的断裂伸长率均超过15倍初始长度,阳离子型SPAPS凝胶可达20倍以上。离子电导率测试显示,酸性AMPS水凝胶最高,达0.1 S/cm,切断自愈合后电导率无明显下降。

SPIN的电学和力学性能表征（图片来自论文）

得益于动态交联,相邻SPIN层之间形成稳定界面。当用于组装柔性电源时,在50%应变下电压保持稳定,而共价交联凝胶在10%应变时即发生界面断裂(图4)。这为制备全水凝胶、高度耐受形变的可穿戴和可植入电子器件奠定了基础。

基于SPIN的多层水凝胶柔性电源（图片来自论文）

3、研究意义

这项研究结果为早期痴呆症预测提供了一个可靠且可解释的临床人工智能引导标记物，该标记物经过了各国纵向、多中心患者数据的验证，在临床实践中具有的强大潜力。该团队表示，这种新方法可以减少对侵入性和昂贵诊断测试的需求，同时在改变生活方式或使用新药等干预措施有可能发挥最佳作用时及早改善治疗结果。

文章来源：Stephen J. K. O’Neill et al. ,Highly stretchable dynamic hydrogels for soft multilayer electronics.Sci. Adv.10,eadn5142(2024).DOI:10.1126/sciadv.adn5142.