《AEM》复旦大学赵婕 ：快速原位合成高透明导电水凝胶用于柔性电子

研究背景

柔性电子材料作为下一代智能器件的核心组成部分，在电子皮肤、可穿戴健康监测、软体机器人、人机交互等领域展现出广阔的应用前景。其中，水凝胶因其独特的3D网络结构、优异的生物相容性、离子导电性和机械柔性，被视为理想的柔性电子基材。然而，传统水凝胶的合成工艺与性能平衡仍面临多重瓶颈：其一，常规自由基聚合依赖光或热引发，需复杂设备且反应条件苛刻，难以实现快速、可控的规模化生产；其二，水凝胶的机械强度、环境稳定性和功能特性（如导电性、透明性）之间存在显著矛盾，例如高交联度可增强力学性能，但会牺牲材料的延展性；其三，低温环境下水分子结冰会导致网络结构破坏，而添加抗冻剂（如甘油）虽可降低凝固点，却可能抑制聚合反应或降低导电性。此外，水凝胶在长期使用中易因失水而丧失功能，需频繁更换，限制了其实际应用场景。尽管已有研究通过引入双网络结构、动态键或盐类电解质优化性能，但如何通过简单、低成本的策略协同提升水凝胶的综合性能，仍是学术界与工业界亟待攻克的关键难题。

文章概述

近日，复旦大学材料科学系赵婕团队提出了一种基于钼碳化物衍生多金属氧酸盐（Mo-POM）的快速原位合成策略，成功制备出兼具高透明性、导电性、超拉伸性及环境稳定性的多功能水凝胶，为柔性电子器件的设计与制造提供了创新解决方案。该技术通过构建Mo-POM与过硫酸铵（APS）的氧化还原引发体系，在室温下实现秒级可控聚合，显著提升了反应效率并降低生产成本。快速聚合过程产生的“冻结效应”有效锁定了海藻酸钠（SA）与LiCl的均匀分散，避免了传统方法中因长时间反应导致的SA絮凝与盐桥效应，使水凝胶的透明度在7天后仍保持94%（对照组仅为52.7%），同时力学性能大幅优化，断裂伸长率达2168%、拉伸应力达243.6 kPa。通过引入LiCl，水凝胶的抗冻性（凝固点-54.6℃）与保水性（50天后质量保留64.8%）实现协同增强，且在96小时循环拉伸中应力波动率低于5%，突破了盐类添加剂易引发相分离的难题。此外，Mo-POM的电子传导与LiCl的离子迁移协同作用赋予水凝胶优异的电-机械性能，在-50℃下导电率仍保持1.06 S/m，结合双网络结构的能量耗散机制，其传感器响应时间仅149毫秒，可精准捕捉从语音振动到关节弯曲的多尺度运动信号，并实现手写笔迹的高分辨率识别。实验表明，该水凝胶可在3万次循环负载后保持稳定的电信号输出，为极端环境下的可穿戴设备与医疗监测系统提供了可靠材料基础。

图文导读

图1所示。a-d) HRTEM图像，Ph为1.1、4.3和7.9时Mo-POM的水动力尺寸分布。e-g) mo - pom诱导的水凝胶聚合过程的数码照片：凝胶前，凝胶中，凝胶后。h)含18.75 wt.% LiCl的水凝胶与对照组（7天后Rh为54%）的透明度。(h): 18.75 wt.% licl基水凝胶图像，保存7天后。

图2。a) ESR光谱捕捉POM与APS反应时的·OH生成。b)自由基猝灭实验(甘油、亚硝酸钠、空白组)数码照片。c)基于温度变化划分的聚合初始阶段示意图。d,e) mo - pom和APS的加入对诱导期和聚合加速期的影响。f,g)不同分子量的sa对聚合反应诱导期和加速期的影响。h,i)不同离子对诱导期和聚合加速期的影响。

图3。a)不同组分水凝胶的抗脱水试验。b)不同LiCl含量水凝胶的抗脱水试验。c)不同氯盐水凝胶的凝固温度。d)不同LiCl含量的水凝胶在不同温度下的电导率。e)通过180度剥离试验表征不同分子量和不同sa浓度的水凝胶的粘附性。f)采用不同的粘附方法和不同的材料，测试不同组分的水凝胶的粘附性。g)通过180度剥离试验表征不同LiCl含量水凝胶随时间的粘附耐久性。h)通过180度剥离试验表征了水凝胶与不同氯盐在低温下的粘附性。

图4。A)含有不同离子的水凝胶的电导率。B)作为传感器的水凝胶的机械输入-电输出同步。C)水凝胶传感器对不同振幅的力学变化的稳定响应。D)水凝胶传感器对不同频率机械变化的稳定响应。e)不同LiCl含量水凝胶在长期应力加载-卸载循环下的电信号稳定性测试。F)水凝胶传感器在连续应力变化下的响应时间。G)水凝胶传感器对语音的响应信号。H)水凝胶传感器对面部表情的响应信号。i)水凝胶传感器对弯头弯曲的响应信号。J-m)水凝胶传感器对笔迹的响应信号作为笔迹识别版本。

结论

团队开发的Mo-POM/APS快速原位合成策略，通过氧化还原引发与“冻结效应”的协同作用，成功解决了传统水凝胶在制备效率、性能均衡性及环境适应性方面的关键难题。该技术不仅实现了室温秒级可控聚合与高透明/超拉伸性能的兼容，还通过LiCl的分子级耦合将抗冻性与保水性提升至行业领先水平。实验证明，所得水凝胶在-50℃极端低温下仍具备高导电性与快速响应能力，为极地科考装备、低温医疗传感器等应用提供了新材料范式。此外，该策略可拓展至其他聚合物体系（如聚乙烯醇、聚丙烯酸），通过替换金属氧簇或电解质类型定制功能，在自愈合电极、可拉伸电池等领域具有广阔前景。此项研究为高性能水凝胶的工业化生产与柔性电子技术的实用化推进提供了重要理论支撑与技术路径。

期刊简介

期刊Advanced Electronic Materials重点发表物理：应用、材料科学：综合、纳米科技相关方向的文章。

该期刊是一个跨学科论坛，在材料科学，物理学，电子和磁性材料工程领域进行同行评审，高质量，高影响力的研究。除了基础研究外，它还包括电子和磁性材料、自旋电子学、电子学、器件物理学和工程学、微纳机电系统和有机电子学的物理和物理性质的研究。期刊最新引文指标为0.9，最新影响因子为5.3（2023）。

来源：奇物论