《Small》苏科大叶常青/赵凯：液金低共熔凝胶！

柔性可穿戴电子设备在运动监测、个人健康护理、电子皮肤和人机界面等多种应用中受到了广泛关注。作为典型的软导体之一，导电水凝胶因其优越的导电性、柔顺性和生物相容性，特别受到在可穿戴电子设备中的应用关注。通过合理选择填料和结构设计，这些水凝胶在各类可穿戴领域取得了显著成功。然而，由于水凝胶中高水分含量引发的脱水和结冰问题，对其长期的机械和电性能稳定性构成了巨大的挑战。幸运的是，离子凝胶通过用非挥发性的离子液体替代水，提供了有效的解决方案。 然而，离子液体相对较高的成本、潜在毒性和复杂的合成过程限制了其广泛应用。

最近，低共熔凝胶因其无与伦比的环境稳定性和成本效益而成为研究的前沿。通常，它们由聚合物网络和低共熔溶剂（DES）润胀形成，其中DES由氢键供体（HBDs）和氢键受体（HBAs）组成。由于DES中丰富的氢键作用，低共熔凝胶可以设计出优异的自愈合、防冻和抗干燥特性。为了进一步提高其导电性，通常会加入不同类型的导电填料，包括金属颗粒、碳材料、MXene和导电聚合物。然而，这些刚性填料与软聚合物凝胶的界面相容性差，容易在反复拉伸下引起界面处的应力集中。因此，机械性能的妥协不可避免地发生在低共熔凝胶中。因此，开发同时具备高导电性和良好机械性能的低共熔凝胶仍然是一个巨大的挑战。

基于镓的液态金属（LMs），如EGaIn（25%铟和75%镓），是一种具有低熔点和无毒性的金属合金。与固体填料相比，液态金属具有导电性和流动性的优点，因此可以作为理想的软填料。基于这一点，液态金属纳米颗粒（LMNPs）能够在机械刺激下与聚合物基体一起变形，从而有效缓解上述界面不兼容问题。更有趣的是，液态金属纳米颗粒可以在超声波作用下引发丙烯酸单体的聚合，并进一步交联，从而展现出液态金属填料的多功能特性。需要注意的是，通常需要一系列界面稳定剂，如多巴胺、纤维素纳米纤维、碳纳米管等，以稳定液态金属纳米颗粒在凝胶基体中的分散状态，从而增强它们的界面相互作用。因此，通过将液态金属纳米颗粒复合材料作为多功能填料，合理设计，可以制备出超强韧且导电性优异的低共熔凝胶。然而，迄今为止，这类先进的低共熔凝胶体系尚未得到展示。

基于上述问题，来自苏州科技大学叶常青/赵凯等人首次开发了一系列导电低共熔凝胶，采用聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）稳定化的液态金属纳米颗粒作为多功能软填料。首先，通过静电吸附作用，将PEDOT:PSS吸附到液态金属纳米颗粒表面，制备了LMNP-PEDOT填料。然后，这些填料在超声作用下，促使丙烯酸（AA）在三元DES中聚合，形成交联的PAA网络。接着，引入刚性且脆性的羧甲基纤维素钠（CMC），与PAA交织，最终形成双网络LMNP-PEDOT-CMC-AA（LPCA）低共熔凝胶。所制备的LPCA共晶凝胶表现出高导电性、良好的延展性、韧性和卓越的电机械耦合性能。此外，DES中丰富的氢键和低共熔凝胶中的功能团使其具备良好的自愈合能力，并在多种基材上展现出增强的粘附力。此外，LPCA共晶凝胶展现出优越的环境耐受性，包括抗冻和抗干燥性能。这些特性使其在可穿戴电子设备和人机界面中的应用前景广阔，具有巨大的潜力。

图1. LPCA 低共熔凝胶的制造工艺示意图。

图2. a) LPCA低共熔凝胶在弯曲、扭曲和打结变形下的照片。b) 顶视图和 c) 横截面SEM图像，展示LPCA低共熔凝胶的结构。d) SEM图像和 e) 对应的EDS元素分布图，显示C、Ga、In和S在同一区域的分布。f) LM-PEDOT、AA和LPCA低共熔凝胶的FTIR光谱。 g) 一系列显示LPCA低共熔凝胶附着在各种基材上的照片。h) 剪切实验示意图。i) LPCA低共熔凝胶对不同基材的粘附强度曲线，j) 对应的粘附强度数据。

图3. a) LPCA低共熔凝胶拉伸的照片及其机制；b) LPCA低共熔凝胶在不同CMC含量下的拉伸应力-应变曲线；c) 对应的韧性和弹性模量随CMC含量变化的图示。d) LPCA低共熔凝胶在不同LMNP-PEDOT含量下的拉伸应力-应变曲线；e) 对应的韧性和弹性模量随LMNP-PEDOT含量变化的图示。f) 在20%到100%不同应变下，LPCA低共熔凝胶的顺序循环拉伸曲线，未设间隔。g) LPCA低共熔凝胶在100%应变下的重复循环拉伸曲线。

图4. a) LPCA水凝胶和低共熔凝胶在−20°C下冷冻24小时后拉伸的照片。
b) 冷冻过程前后，LPCA低共熔凝胶的拉伸应力-应变曲线。c) 显示LPCA水凝胶和低共熔凝胶在常温条件下存储30天后的拉伸效果的照片，以及对应的 d) 质量变化。e) LPCA低共熔凝胶在存储30天前后拉伸应力-应变曲线。f) 一系列照片展示LPCA低共熔凝胶的自愈性能。g) 原始样品和自愈样品的应力-应变曲线。h) 展示LPCA低共熔凝胶自愈机制的示意图。

图5. a) 不同LMNP-PEDOT含量的LPCA低共熔凝胶的电导率；b) 不同CMC含量的LPCA低共熔凝胶的电导率；c) LPCA低共熔凝胶在施加应变下的相对电阻变化（ΔR/R0）；d) LPCA低共熔凝胶在小应变（5%、10%、30%）下的ΔR/R0；e) LPCA低共熔凝胶在大应变（50%、100%、200%）下的ΔR/R0；f) LPCA低共熔凝胶在50%应变下，不同频率下的ΔR/R0；g) LPCA低共熔凝胶在应变从0%到30%时的响应与恢复时间；h) LPCA低共熔凝胶在50%应变下，1000次拉伸-释放循环中的循环稳定性。

图6. LPCA低共熔凝胶在人体运动监测中的应用。a,b) 手指弯曲；c) 肘部弯曲；d) 膝盖弯曲；e) 吞咽；f) 皱眉；g) 基于摩尔斯电码的信号系统，及其对应的摩尔斯电码输出；h) “SOS”信号；i) “DES”信号。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202410806?saml_referrer