研究背景

柔性電子材料作為下一代智能器件的核心組成部分，在電子皮膚、可穿戴健康監(jiān)測、軟體機器人、人機交互等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。其中，水凝膠因其獨特的3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的生物相容性、離子導(dǎo)電性和機械柔性，被視為理想的柔性電子基材。然而，傳統(tǒng)水凝膠的合成工藝與性能平衡仍面臨多重瓶頸：其一，常規(guī)自由基聚合依賴光或熱引發(fā)，需復(fù)雜設(shè)備且反應(yīng)條件苛刻，難以實現(xiàn)快速、可控的規(guī)模化生產(chǎn)；其二，水凝膠的機械強度、環(huán)境穩(wěn)定性和功能特性（如導(dǎo)電性、透明性）之間存在顯著矛盾，例如高交聯(lián)度可增強力學(xué)性能，但會犧牲材料的延展性；其三，低溫環(huán)境下水分子結(jié)冰會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破壞，而添加抗凍劑（如甘油）雖可降低凝固點，卻可能抑制聚合反應(yīng)或降低導(dǎo)電性。此外，水凝膠在長期使用中易因失水而喪失功能，需頻繁更換，限制了其實際應(yīng)用場景。盡管已有研究通過引入雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、動態(tài)鍵或鹽類電解質(zhì)優(yōu)化性能，但如何通過簡單、低成本的策略協(xié)同提升水凝膠的綜合性能，仍是學(xué)術(shù)界與工業(yè)界亟待攻克的關(guān)鍵難題。

文章概述

近日，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系趙婕團隊提出了一種基于鉬碳化物衍生多金屬氧酸鹽（Mo-POM）的快速原位合成策略，成功制備出兼具高透明性、導(dǎo)電性、超拉伸性及環(huán)境穩(wěn)定性的多功能水凝膠，為柔性電子器件的設(shè)計與制造提供了創(chuàng)新解決方案。該技術(shù)通過構(gòu)建Mo-POM與過硫酸銨（APS）的氧化還原引發(fā)體系，在室溫下實現(xiàn)秒級可控聚合，顯著提升了反應(yīng)效率并降低生產(chǎn)成本。快速聚合過程產(chǎn)生的“凍結(jié)效應(yīng)”有效鎖定了海藻酸鈉（SA）與LiCl的均勻分散，避免了傳統(tǒng)方法中因長時間反應(yīng)導(dǎo)致的SA絮凝與鹽橋效應(yīng)，使水凝膠的透明度在7天后仍保持94%（對照組僅為52.7%），同時力學(xué)性能大幅優(yōu)化，斷裂伸長率達2168%、拉伸應(yīng)力達243.6 kPa。通過引入LiCl，水凝膠的抗凍性（凝固點-54.6℃）與保水性（50天后質(zhì)量保留64.8%）實現(xiàn)協(xié)同增強，且在96小時循環(huán)拉伸中應(yīng)力波動率低于5%，突破了鹽類添加劑易引發(fā)相分離的難題。此外，Mo-POM的電子傳導(dǎo)與LiCl的離子遷移協(xié)同作用賦予水凝膠優(yōu)異的電-機械性能，在-50℃下導(dǎo)電率仍保持1.06 S/m，結(jié)合雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能量耗散機制，其傳感器響應(yīng)時間僅149毫秒，可精準(zhǔn)捕捉從語音振動到關(guān)節(jié)彎曲的多尺度運動信號，并實現(xiàn)手寫筆跡的高分辨率識別。實驗表明，該水凝膠可在3萬次循環(huán)負(fù)載后保持穩(wěn)定的電信號輸出，為極端環(huán)境下的可穿戴設(shè)備與醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)提供了可靠材料基礎(chǔ)。

圖文導(dǎo)讀

圖1所示。a-d) HRTEM圖像，Ph為1.1、4.3和7.9時Mo-POM的水動力尺寸分布。e-g) mo - pom誘導(dǎo)的水凝膠聚合過程的數(shù)碼照片：凝膠前，凝膠中，凝膠后。h)含18.75 wt.% LiCl的水凝膠與對照組（7天后Rh為54%）的透明度。(h): 18.75 wt.% licl基水凝膠圖像，保存7天后。

圖2。a) ESR光譜捕捉POM與APS反應(yīng)時的·OH生成。b)自由基猝滅實驗(甘油、亞硝酸鈉、空白組)數(shù)碼照片。c)基于溫度變化劃分的聚合初始階段示意圖。d,e) mo - pom和APS的加入對誘導(dǎo)期和聚合加速期的影響。f,g)不同分子量的sa對聚合反應(yīng)誘導(dǎo)期和加速期的影響。h,i)不同離子對誘導(dǎo)期和聚合加速期的影響。

圖3。a)不同組分水凝膠的抗脫水試驗。b)不同LiCl含量水凝膠的抗脫水試驗。c)不同氯鹽水凝膠的凝固溫度。d)不同LiCl含量的水凝膠在不同溫度下的電導(dǎo)率。e)通過180度剝離試驗表征不同分子量和不同sa濃度的水凝膠的粘附性。f)采用不同的粘附方法和不同的材料，測試不同組分的水凝膠的粘附性。g)通過180度剝離試驗表征不同LiCl含量水凝膠隨時間的粘附耐久性。h)通過180度剝離試驗表征了水凝膠與不同氯鹽在低溫下的粘附性。

圖4。A)含有不同離子的水凝膠的電導(dǎo)率。B)作為傳感器的水凝膠的機械輸入-電輸出同步。C)水凝膠傳感器對不同振幅的力學(xué)變化的穩(wěn)定響應(yīng)。D)水凝膠傳感器對不同頻率機械變化的穩(wěn)定響應(yīng)。e)不同LiCl含量水凝膠在長期應(yīng)力加載-卸載循環(huán)下的電信號穩(wěn)定性測試。F)水凝膠傳感器在連續(xù)應(yīng)力變化下的響應(yīng)時間。G)水凝膠傳感器對語音的響應(yīng)信號。H)水凝膠傳感器對面部表情的響應(yīng)信號。i)水凝膠傳感器對彎頭彎曲的響應(yīng)信號。J-m)水凝膠傳感器對筆跡的響應(yīng)信號作為筆跡識別版本。

結(jié)論

團隊開發(fā)的Mo-POM/APS快速原位合成策略，通過氧化還原引發(fā)與“凍結(jié)效應(yīng)”的協(xié)同作用，成功解決了傳統(tǒng)水凝膠在制備效率、性能均衡性及環(huán)境適應(yīng)性方面的關(guān)鍵難題。該技術(shù)不僅實現(xiàn)了室溫秒級可控聚合與高透明/超拉伸性能的兼容，還通過LiCl的分子級耦合將抗凍性與保水性提升至行業(yè)領(lǐng)先水平。實驗證明，所得水凝膠在-50℃極端低溫下仍具備高導(dǎo)電性與快速響應(yīng)能力，為極地科考裝備、低溫醫(yī)療傳感器等應(yīng)用提供了新材料范式。此外，該策略可拓展至其他聚合物體系（如聚乙烯醇、聚丙烯酸），通過替換金屬氧簇或電解質(zhì)類型定制功能，在自愈合電極、可拉伸電池等領(lǐng)域具有廣闊前景。此項研究為高性能水凝膠的工業(yè)化生產(chǎn)與柔性電子技術(shù)的實用化推進提供了重要理論支撐與技術(shù)路徑。

期刊簡介

期刊Advanced Electronic Materials重點發(fā)表物理：應(yīng)用、材料科學(xué)：綜合、納米科技相關(guān)方向的文章。

該期刊是一個跨學(xué)科論壇，在材料科學(xué)，物理學(xué)，電子和磁性材料工程領(lǐng)域進行同行評審，高質(zhì)量，高影響力的研究。除了基礎(chǔ)研究外，它還包括電子和磁性材料、自旋電子學(xué)、電子學(xué)、器件物理學(xué)和工程學(xué)、微納機電系統(tǒng)和有機電子學(xué)的物理和物理性質(zhì)的研究。期刊最新引文指標(biāo)為0.9，最新影響因子為5.3（2023）。

來源：奇物論