《Angew》北京理工赵飞: 通过快速离子-电子转导增强导电水凝胶中的电子电荷传输

一、水凝胶的潜力与挑战

水凝胶是一种类似人体组织的仿生材料，往其中加入导电成分制成的“导电水凝胶”，更是被寄予厚望用于可植入生物电子设备，比如监测人体健康的体内传感器，既能贴合组织又减少免疫排斥。

然而，水凝胶中的水分子就像“捣乱分子”：它们会破坏导电成分之间的连接，导致导电水凝胶的导电性比干燥状态下降数倍。更棘手的是，传统导电水凝胶依赖离子导电，而离子在水中的迁移速度远低于电子，这使得它们在高频信号传输中“力不从心”，无法满足快速电信号传输的需求。如何在水分子存在下，让水凝胶实现快速的电荷传输？这成为领域内的关键难题。

二、向“非均质结构” 取经，打造电子传输“高速公路”

北京理工大学的赵飞教授研究团队近日给出了创新方案：他们设计了一种名为“分级非均质网络”（HIN）的特殊水凝胶结构，就像在材料内部搭建了多层 “电子高速公路”（图1a），打破了导电水凝胶内部离子主导电荷传输机制的传统认知。

柔软的“水合PSS网络”：由亲水的PSS聚合物链相互缠绕形成，就像一张弹性十足的 “水网”，赋予材料柔韧性和保水性；导电“PEDOT：PSS多晶相”：其中，PEDOT微晶像“铺路砖”，通过致密的PSS聚集体桥接，形成相互交错的导电网络。

更巧妙的是，PEDOT多晶相的内部应力限制了周围PSS聚集体的水合程度，形成了一个“超高离子浓度微环境”。当施加电场时，这一环境就像“润滑剂”，大幅降低电子在微晶之间跳跃的能量障碍，促进电子的跳跃（图1b），从而在水凝胶中形成以电子主导的电信号快速传输通路，而非像传统水凝胶那样依赖缓慢的离子迁移。

图1. HIN结构设计概念的示意图

相关结构表征如图2所示：拉伸曲线显示其力学行为分为弹性变形、应变硬化和塑性变形三阶段，塑性阶段更高的杨氏模量表明相内应力分布差异（图2a）；TEM图像直观呈现 HIN 中PEDOT微晶（黄色虚线圆）的棒状结构（约 20 nm），与均匀水凝胶中 2 nm 的粒状 PEDOT 纳米晶形成显著结晶行为差异（图2b）；WAXS 散射谱和拉曼光谱进一步证实 HIN 中 PEDOT 微晶的 π-π 堆叠距离缩短，及醌式构象转变，表明更有序的晶体排列（图2c-e）；AFM相位图显示 HIN 中 PEDOT:PSS 多晶体形成互联网络（亮色导电相），区别于均匀结构的岛状分布（图2f）；SEM 图像则展现 HIN 水凝胶脱水后的多孔 3D 框架结构（图2g）。这些表征共同证明 HIN 结构的成功构建。

图2. HIN结构的系统表征

二、实现内部电信号的快速传输和界面电信号的高效翻译

基于电子主导的电信号快速传输通路，HIN水凝胶实现了快速的电信号传输，即使在高频下（如100 kHz以上），其信号几乎仍与纯电子导体的相近（图3a-c）。同时其传输行为基于与传电子导体PEDOT薄膜的接近，不受外界离子环境的影响（图3d,e）。此外，材料优异的界面动力学行为（图3f-h）主要归因于其表面的密集PSS层，它就像一位反应迅速的“信号翻译官”，能把界面上的离子信号实时转换成电子信号，让两者的“对话”又快又准，！

图3. 电信号传输行为和界面动力学行为测试

三、让生物信号“秒懂秒传”

HIN 水凝胶的核心奥秘，在于通过分级结构实现了离子-电子转导的 “双向加速”：既让电子在水凝胶中高速奔跑，又让生物界面的离子信号即时 “翻译” 为电子语言。这种 “双重加速” 让柔性材料能实时读懂植物的 “口渴信号”。作者将HIN水凝胶作为的微型电极植入植物叶片后，能以超高灵敏度实时捕捉植物内部的渗透压变化（图4a，b）。当植物缺水时，离子信号通过水凝胶快速转为电子信号，就像给植物装上了“即时通讯器”，让水分运输动态一目了然（图c，d）。

图4. 植物渗透压的监测

这项研究开创了一种普适性的材料设计策略：通过调控聚合物网络的微观结构，在含水环境中构建电子主导的电荷传输路径。该研究打破了水凝胶依赖离子迁移主导电荷传输的传统机制，为高频柔性电子器件及超灵敏生物传感器的开发提供了新策略。该工作以“Boosting Electronic Charge Transport in Conductive Hydrogels via Rapid Ion-Electron Transduction”为题发表在《Angew. Chem., Int. Ed.》上（DOI: 10.1002/anie.202506560）。文章第一作者是北京理工大学的博士生李洲。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

https://doi.org/10.1002/anie.202506560

来源：高分子科技