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青科大高傳慧教授團隊 AFM：一種具有高機械強度、堅韌和抗疲勞性的多功能納米導電水凝膠

2024-09-24 來源：高分子科技

水凝膠的機械強度、疲勞抗性和導電性與自供電系統的耐久性和功率輸出密切相關。但目前的導電水凝膠由于部分性能的缺陷，無法滿足各種場景的需求。近日，青島科技大學高傳慧教授團隊提出了一種基于拓撲網絡結構和力學訓練的新型定向互鎖策略，通過優化網絡結構和調節分子鏈取向，成功構建出一種具有優異機械性能的多功能導電水凝膠。

圖1多功能導電水凝膠的網絡結構及應用場景。

由聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酰胺（PAAm）和纖維素納米纖維（CNFs）構成的獨特三重互鎖網絡不僅確保了結構的穩定性，同時通過機械訓練使分子鏈定向排列，大幅提升了水凝膠的機械強度和韌性。納米晶域的形成和重新取向過程使得材料在應對裂紋擴展時表現出卓越的抗疲勞性能。獨特的網絡設計有效保證了機械訓練過程中材料性能的持續增益效果。

圖2 P_BAC_A-Zn²⁺水凝膠機械性能。

本研究首先設計了一種具有三重網絡結構的互鎖水凝膠，系統探討了不同纖維素納米纖維（CNFs）含量及金屬離子濃度對材料機械性能的影響。所制備的三網絡水凝膠的最大拉伸強度可達2.52 MPa，應變達到1520.4%。

圖3機械訓練策略下P_BAC_A-Zn²⁺水凝膠力學性能。

為了進一步提升導電水凝膠的韌性和抗疲勞性，研究中引入了一種機械訓練方法，以實現水凝膠中納米纖維的定向排列結構。其最大拉伸強度達到4.98 MPa，韌性高達48 MJ·m^-3。此外，互鎖網絡中的鏈段在滑移后緊密排列，形成定向的納米晶域排列，顯著提高了水凝膠的結晶度。通過這些對齊排列的納米晶域，水凝膠能夠有效傳遞和分散應力集中，顯著提升其抗疲勞性。

圖4 P_BAC_A-Zn²⁺水凝膠的自修復特性和防凍保濕特性。

此外，為了拓展導電水凝膠的應用領域，研究人員引入了多重可逆相互作用機制，使材料具備自修復能力，從而顯著提升其耐用性。同時，由于氟原子具有較強的電負性，其打破了冰晶間的原有結構，賦予材料優異的防凍性能，極大地增強了其環境適應性。

圖5 P_BAC_A-Zn²⁺水凝膠的應用場景。

錨定在纖維素納米纖維上的聚苯胺通過在訓練過程中構建導電纖維形成獨特的導電通路，極大提高導電性能，確保自供電設備具有強大的輸出性能。

總的來說，研究團隊通過定向互鎖策略成功制備了一種具有優異機械強度、韌性和抗疲勞性能的導電水凝膠。值得強調的是，定向導電通路的構筑顯著增強了水凝膠的導電性能，從而提高了自供電器件的輸出效率。得益于多重可逆效應，受損的水凝膠能夠實現快速而高效的自我修復；同時，氟原子與水分子之間的強相互作用賦予了水凝膠優異的抗凍特性。當前所開發的自供電系統已展示出廣泛的實際應用潛力，這為多功能水凝膠材料提供了新的應用前景。

該工作以“Multifunctional Nano-Conductive Hydrogels With High Mechanical Strength, Toughness and Fatigue Resistance as Self-Powered Wearable Sensors and Deep Learning-Assisted Recognition System”為題發表在《Advanced Functional Materials》上。青島科技大學化工學院高傳慧教授為論文通訊作者，第一作者為化工學院博士研究生王彥慶。該研究得到國家自然科學基金、山東省泰山產業創新領軍人才和山東省高等學校青創團隊計劃等項目的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202409081

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（責任編輯：xu）

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