厦门大学林友辉课题组AFM: Hofmeister效应辅助型多功能水凝胶用于柔性电子

软导体凭借其卓越的柔韧性和延展性，在电子皮肤、超级电容器以及可穿戴传感器等领域中获得了广泛的关注。其中，具有3D交联亲水性聚合物网络结构的水凝胶由于其具有高透明性、优异的延展性和良好的生物相容性等特性而备受关注。然而，以纯水为主要成分的传统水凝胶稳定性较差。这些水凝胶通常在零摄氏度下会冻结，或随着时间推移逐渐干燥，导致其柔韧性下降。同时，传统水凝胶比较脆弱，严重限制了它们的潜在应用。因此，越来越多的研究人员致力于设计多功能水凝胶，以克服传统水凝胶的各种缺陷。然而，大多数已建立的设计原则和制备方法被认为是复杂且低效的。

最近，厦门大学林友辉教授团队通过一锅法制备了一种具有高透明度、可调的机械性能、优异的环境稳定性和可自由塑形的离子导电双网络有机水凝胶(PGAOH)(图1)。

图1 设计构建多功能双网络有机水凝胶

通常，由于明胶不能直接在高溶度的硫酸铵溶液中分散，制备Hofmeister效应辅助型明胶水凝胶时，研究人员往往会采用后处理的方式。然而，这种方法所需时间较长，且对凝胶体积的控制也颇具挑战。此项研究显示，丙烯酰胺分子能够促进明胶在高浓度硫酸铵溶液中的分散，显著缩短了制备Hofmeister效应辅助型凝胶所需的时间，并有助于稳定凝胶的体积(图2)。同时，体系内的丙烯酰胺分子可以通过光聚合反应形成另一个聚合物网络——聚丙烯酰胺，进一步提升PGAOH的机械性能。

图2. 丙烯酰胺分子促进明胶在高浓度硫酸铵溶液中的分散

研究团队以无硫酸铵/无甘油(PGH)和仅无硫酸铵(PGOH)的凝胶体系作为实验对照组，旨在探索硫酸铵和甘油对PGAOH性能的影响。研究发现，硫酸铵和甘油均能增强PGAOH的机械性能。PGAOH展现出了优异的机械性能，其模量达到了177 KPa，韧性为2490 KJ m−3。这些性能显著高于PGH(模量为55 KPa，韧性为426 KJ m−3)和PGOH(模量为79 KPa，韧性为1588 KJ m−3）。同时，研究显示，甘油不仅可以显著提升凝胶的透明度(图3)，还能有效提升PGAOH的低温耐受性以及抗失水性(图4)。

图3 硫酸铵和甘油对PGAOH性能的影响

图4 PGAOH的环境稳定性

鉴于PGAOH拥有优异的电学性能，研究团队将其作为传感器件，并结合信号采集/处理电路，成功开发出一款虚拟现实(VR)跑酷游戏。在该游戏中，玩家能够通过自己的身体运动来操控游戏内的角色，这种独特且创新的交互方式极大地提升了玩家的沉浸式体验(图5)。

图5 PGAOH的电学性能及其应用

此项工作展示了一种一锅法制备Hofmeister效应辅助型多功能有机水凝胶的新策略。这种方法不仅效率高且简便，有效减少了制备Hofmeister效应辅助型凝胶所需的时间。此外，PGAOH的多功能特性使其适用于不同的应用场景，预计在可穿戴软电子器件基材领域将展现出巨大的应用潜力。这项研究成果，标题为“Hofmeister Effect-Assisted Facile One-Pot Fabrication of Double Network Organohydrogels with Exceptional Multi-Functions”，已在《Advanced Functional Materials》（Adv. Funct. Mater.2024, 2307566）杂志上发表。本文的共同第一作者是厦门大学博士研究生余德帅和易佳,通讯作者为厦门大学林友辉教授。该研究得到了国家自然科学基金项目（12274356）、中央高校基本科研业务费专项资金（20720220022）和111引智计划（B16029）的资助。

论文信息：

Deshuai Yu, Jia Yi, Shuihong Zhu, Yonghua Tang, Yanyan Huang, Da Lin, Youhui Lin*. Hofmeister Effect-Assisted Facile One-Pot Fabrication of Double Network Organohydrogels with Exceptional Multi-Functions.Adv. Funct. Mater.2024, 2307566.

原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202307566

来源：高分子科学前沿

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