導     語

水凝膠因其與生物組織相似的機械和電學性質,在柔性電子和軟體機器人領域備受矚目。然而,如何在保持高拉伸性和柔韌性的同時,實現高離子電導率,是該領域面臨的關鍵挑戰。近日,劍橋大學化學家們利用超分子化學,巧妙地將動態交聯引入帶電聚合物網絡,開發出兼具優異力學性能和高電導率的新型水凝膠,并將其組裝成全水凝膠柔性電源,展現出廣闊的應用前景。

1、研究背景

傳統水凝膠雖然柔軟,但拉伸性和離子電導率普遍較低,限制了其在柔性電子中的應用。超分子聚合物網絡利用動態非共價鍵實現能量耗散,因而具有高延展性、壓縮性、注射性和自愈合性,但其本征離子電導率仍不理想(約10^-3 S/cm)。這主要源于大多數超分子水凝膠使用中性丙烯酰胺類單體,體系內缺乏可動離子。引入帶電單體雖然可提高離子濃度和滯留,但會引起電荷屏蔽,破壞超分子相互作用。因此,在保持優異力學性能的同時提高離子電導率,是實現高性能水凝膠電子器件的關鍵。

2、研究概述

Scherman教授團隊巧妙利用CB[8]主-客體相互作用中的離子-偶極效應,克服了帶電單體的電荷屏蔽,成功制備了一系列陰離子型、陽離子型、兩性離子型和酸性聚合物骨架的超分子聚離子水凝膠(SPIN)。動態可逆的三元CB[8]配合物賦予SPIN高達1500%的拉伸性、90%的壓縮性、快速自恢復性以及高達0.1 S/cm的離子電導率,顯著優于已報道的體系。

超分子聚離子水凝膠的分子設計（圖片來自論文）

流變學表征表明SPIN具有可調的粘彈性,儲能模量和損耗模量隨離子含量和交聯比例而變化。應力松弛實驗測得SPIN的激活能(15.2 kcal/mol)與人體肌肉蛋白titin的I27結構域相當,表明其優異的能量耗散性能。

SPIN的流變學表征（圖片來自論文）

拉伸和壓縮測試進一步證實,所有SPIN的斷裂伸長率均超過15倍初始長度,陽離子型SPAPS凝膠可達20倍以上。離子電導率測試顯示,酸性AMPS水凝膠最高,達0.1 S/cm,切斷自愈合后電導率無明顯下降。

SPIN的電學和力學性能表征（圖片來自論文）

得益于動態交聯,相鄰SPIN層之間形成穩定界面。當用于組裝柔性電源時,在50%應變下電壓保持穩定,而共價交聯凝膠在10%應變時即發生界面斷裂(圖4)。這為制備全水凝膠、高度耐受形變的可穿戴和可植入電子器件奠定了基礎。

基于SPIN的多層水凝膠柔性電源（圖片來自論文）

3、研究意義

這項研究結果為早期癡呆癥預測提供了一個可靠且可解釋的臨床人工智能引導標記物，該標記物經過了各國縱向、多中心患者數據的驗證，在臨床實踐中具有的強大潛力。該團隊表示，這種新方法可以減少對侵入性和昂貴診斷測試的需求，同時在改變生活方式或使用新藥等干預措施有可能發揮最佳作用時及早改善治療結果。

文章來源：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.