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廈門大學林友輝教授團隊 Adv. Funct. Mater.: 一鍋法合成Hofmeister效應輔助型多功能雙網絡有機水凝膠

2024-02-04 來源：高分子科技

軟導體因其柔韌性和可拉伸性，在人體健康監測、人機交互、物聯網等領域展示出巨大的應用潛力。其中，多功能水凝膠因其可調的機械性能、優良的導電性以及卓越的生物相容性等特點而備受關注。然而，目前大多數設計理念和制備方法較為復雜且低效。

圖1設計構建多功能雙網絡有機水凝膠

近期，廈門大學林友輝教授團隊結合Hofmeister效應和油/水體系，采用簡便的一鍋法設計了一種具有高透明度、可調的機械性能、優異的環境穩定性和可自由塑形的離子導電雙網絡有機水凝膠(PGAOH)(圖1)。由于明膠不能直接在高濃度的硫酸銨溶液中分散，制備Hofmeister效應輔助型明膠水凝膠通常采用后處理的方式。然而，這種方法耗時較長，且對凝膠的體積大小難以控制。有趣的是，本研究意外發現丙烯酰胺分子有助于明膠分散在高濃度的硫酸銨溶液中，可以實現一鍋法制備Hofmeister效應輔助型凝膠，從而顯著減短凝膠合成所需時間，并有助于穩定凝膠的體積。同時，體系中的丙烯酰胺分子可以通過光聚合反應形成另一個聚合物網絡（聚丙烯酰胺），進一步提升PGAOH的機械性能。研究團隊選擇了無硫酸銨/無甘油(PGH)和僅無硫酸銨(PGOH)的凝膠體系作為對照組，旨在深入研究硫酸銨和甘油對PGAOH性能的具體影響。研究結果揭示，硫酸銨和甘油均能顯著提升PGAOH的機械性能。PGAOH展現出了卓越的機械性能，其模量為177 KPa，韌性為2490 KJ m^?3。這些性能明顯優于對照體系PGH(模量為55 KPa，韌性為426 KJ m^?3)和PGOH(模量為79 KPa，韌性為1588 KJ m^?3）。此外，甘油的引入顯著提高了PGAOH的環境穩定性和透明度(圖2, 3)。

圖2硫酸銨和甘油對PGAOH性能的影響

圖3 PGAOH的環境穩定性

研究團隊還通過將PGAOH與信號采集/處理電路進一步結合，成功打造了一款虛擬現實(VR)跑酷游戲。在這款游戲中，玩家可以通過自身的身體運動來操控游戲內角色的動作，這種創新的交互方式極大地增強了玩家的沉浸式游戲體驗(圖4)。這項工作展示了一種一鍋法制備Hofmeister效應輔助型多功能有機水凝膠的新策略，該方法既簡單又省時，有望在可穿戴軟電子器件基材領域展現出極大的應用潛力。該工作以“Hofmeister Effect-Assisted Facile One-Pot Fabrication of Double Network Organohydrogels with Exceptional Multi-Functions”為題發表在《Advanced Functional Materials》上（Adv. Funct. Mater. 2024, 2307566）。文章共同第一作者是廈門大學博士研究生余德帥和易佳，通訊作者為廈門大學林友輝教授。該研究得到了國家自然科學基金項目（12274356）、中央高校基本科研業務費專項資金（20720220022）和111引智計劃（B16029）的資助。

圖4 PGAOH的電學性能及其應用

該工作是團隊近期關于調控高分子的結構與性能相關研究的最新進展之一。在過去的研究中，結合微納米制備工藝，團隊開發了一系列基于高分子結構調控體系（Adv. Mater. 2019, 31, 1900870;Small Methods 2021, 5, 2001060; Adv. Func. Mater. 2016, 26, 8978；ACS Appl. Bio Mater. 2020, 3, 2891），在此基礎上探索了其在柔性功能器件和人機交互領域的應用潛能（Adv. Sci. 2023,10, 2207400；Small 2020, 16, 2000128;），并且深入探索了半結晶高分子聚合物的結構形成與轉化，開創了調控聚合物分子取向的全新策略(Nat. Commun. 2024, 15, 118)。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202307566

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（責任編輯：xu）

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