《AFM》廈門大學戴李宗/袁叢輝：大面積、超強和抗溶脹水凝膠薄膜的制備用于水下隱形電子皮膚！

研究背景

水凝膠薄膜（THFs）具有亞毫米級厚度，因其出色的形狀適應性、界面粘附性、刺激響應性和透明度，被認為在電子皮膚、柔性電子設備等領域具有巨大潛力。盡管水凝膠薄膜具有諸多優點，但目前很難同時實現高透明度、高導電性和優異的機械性能。在水凝膠薄膜成型過程中，水凝膠的脫水會導致薄膜變脆失去柔軟性，而過度膨脹則會導致薄膜失去其功能。其次，水凝膠在水中容易膨脹，難以保持穩定的形狀和性能。因此，構建一種兼具“高強度+抗腫脹+易加工+柔順性”的水凝膠薄膜，是實現高性能可穿戴生物電子器件的關鍵。

文章概述

廈門大學材料學院戴李宗教授和袁叢輝教授團隊通過設計新型交聯劑3-肉桂酰苯基硼酸（RBA），開發了一種三重交聯策略制備大面積超強抗溶脹水凝膠薄膜（RBVA THFs）。該薄膜厚度可控（50–200μm），兼具高透明度（可見光透射率≥90%）、超高韌性（48.0 MJ m-3）、導電性（3.63 mS cm-1）及水下穩定性。經20天水浸泡或100次干濕循環，其力學與傳感性能幾乎不變。基于此制備的隱形電子皮膚可穩定監測水下人體運動，為柔性電子器件提供新思路。

圖文導讀

1.RBVA THFs的組成和機械性能

通過C13 NMR和11B NMR驗證了交聯劑RBA成功接枝到PVA鏈上，形成動態硼酸酯鍵（圖1a,b）。UV光照引發肉桂酰胺基團的2+2光環加成反應（圖1c），其轉化率隨光照時間延長而提高（15分鐘：40.2%；30分鐘：65.3%）。力學測試表明，RBVA水凝膠薄膜（厚度≈100 μm）的斷裂強度隨RBA含量和UV交聯時間增加而提升，最高達14.5 MPa（RBVA10?30?100），韌性達38.9 MJ m?3（圖1d,e）。循環加載-卸載測試顯示優異的回彈性（圖1f），歸因于三重交聯網絡的協同作用：動態硼酸酯鍵和疏水聚集耗散能量，共價光環加成維持網絡完整性（圖1h）。流變應變掃描證實UV交聯提高了儲能模量（G'）（圖1g）。

圖1 RBVA THFs的組成與機械性能。（a)未經過UV處理的RBVA的固態13C NMR和（b) 11B NMR光譜。（c)RBA乙醇溶液在UV光照射下的UV-可見吸收光譜。（d)RBA摩爾含量和UV光照射時間對RBVA THFs拉伸斷裂強度和伸長率的影響。（e)RBVA THFs的應力-應變曲線。（f)RBVA10-15-100在200%固定應變下的循環加載-卸載測試。（g)RBVA THFs的流變應變掃描。h)拉伸過程中交聯網絡演變的示意圖。數據和誤差條代表平均值和標準差（n = 5）。

2. RBVA THFs膜厚控制和水下穩定性

通過調控鑄膜溶液密度（49–209 mg cm?2）和UV交聯（15分鐘），實現厚度50–200 μm的大面積薄膜（20 cm×30 cm）（圖2a）。溶脹動力學顯示60分鐘內達平衡，溶脹率穩定（158–182%）。力學性能優異：50 μm薄膜斷裂伸長率762.1%，200 μm薄膜韌性34.7 MJ m?3（圖2b,c），SEM顯示微孔結構（孔徑1–4 μm）助力高韌性（圖2d-f）。透明度>90%（可見光范圍）（圖2i）。

圖2 RBVA THF 的機械性能、微觀結構和透明度。（a） 厚度從 50 μm 增加到 200 μm 的 RBVA THF 的膨脹行為和 （b） 應力-應變曲線。（c） RBVA THF 與報道的亞毫米 THF 的斷裂強度和韌性比較的散點圖。跟蹤 RBVA 橫截面 （d，e）和表面（f）的 SEM 圖像10-15-100.RBVA 的光學照片10-15-100（g）承載一個 400 g 的鋼球，以及（h）覆蓋一個彩色圖案。（i）RBVA THF 的透射率。數據和誤差線代表平均值和SD（n = 5）。

抗溶脹性能突出：20天水浸泡后，溶脹率波動<5%（圖3a），力學強度保持>8.9 MPa（圖3f），電導率僅降7%（2.41→2.24 mS cm?1）。百次干濕循環后，溶脹率僅增2.5%，力學性能衰減<11.5%（圖3h,i）。

圖3 RBVA THF的抗溶脹性能。（a）RBVA的溶脹率演變10-0-100、 RBVA10-15-100和 RBVA10-30-100在去離子水中。RBVA的數碼照片10-15-100（b）和（c）在去離子水中浸泡20天之前和（c）之后的水凝膠膜。（d）SEM圖像和（e）RBVA 的孔徑分布10-15-100在去離子水中浸泡20天后。（f）跟蹤RBVA機械性能變化的應力-應變曲線10-15-100在去離子水中。（g）RBVA的光學照片10-15-100在去離子水中含有鋼球（400 g）的THF。RBVA的（h）平衡膨脹率、（i）斷裂強度和斷裂伸長率的變化10-15-100在100次干燥-膨脹循環中。數據和誤差線表示平均值和SD（n = 5）。

3. 用于水下傳感特性的隱形電子皮膚

經0.1 M KCl處理，RBVA10?15?100電導率達3.84 mS cm?1。應變傳感性能優異：小應變（0–100%）靈敏度（GF=1.33），大應變（200 – 630%）GF=2.85（圖4a）。水下環境信號穩定，歸因于陰離子硼酸酯錨定抑制離子泄漏。該水凝膠可以制成透明腕帶/指套。貼合皮膚，實時監測水下關節彎曲（圖4d-g），剝離力達1.5 N m?1（空氣）/0.6 N m?1（水下）。還可以通過指套彎曲輸出“HELP”和“SOS”信號（圖4h-j）。以及集成藍牙芯片，穩定追蹤肘部運動的無線監測系統（圖4k,l）。透明度（>90%）支持指紋識別等光學應用，百次干濕循環后傳感性能衰減<9.4%，證實長期可靠性。

圖4 RBVA電子皮膚的傳感特性。（a） 施加的應變對應變系數的影響。RBVA 的大應變 （100-250%） 循環傳感測試（b）和應變穩定傳感測試（c）10-15-100.（d） RBVA 的照片10-15-100啟用腕帶和 （e） 腕帶的信號輸出（電阻演變），用于監控手腕彎曲。（f） RBVA 制成的指套照片10-15-100（g） 用于監測手指彎曲的手指蓋的信號輸出（電阻演變）。（h） 摩斯電碼示意圖。通過水下手指彎曲使用摩斯電碼傳輸 （i）“HELP”和 （j）“SOS”緊急呼叫的傳感信號。在彎頭（k）上安裝獨立設備，并通過設備監控（l）跑步動作產生的信號（阻力演變）。

結論

該研究通過設計交聯劑RBA，開發了一種結合動態硼酸酯鍵、[2+2]光環加成共價鍵和疏水聚集的三重交聯策略，成功制備出大面積、超強韌、高透明且抗溶脹的RBVA THFs。該薄膜在水下浸泡20天或經歷100次干濕循環后，力學性能、導電性及溶脹率幾乎不變，突破了傳統水凝膠易溶脹失穩的瓶頸。基于其優異的水下穩定性與柔性，RBVA THFs可制成隱形電子皮膚，實現水下人體運動實時監測及莫爾斯碼通信，為水下柔性電子器件提供了革新性材料平臺。

創新點

該研究設計了一種新型小分子交聯劑RBA，實現了動態硼酸酯陰離子、[2+2]光環加成和疏水聚集的三重交聯聚合物網絡。這種設計通過簡單的鑄造成型技術，制造出具備超強韌性、高透明度和優異的水下穩定性，并且在機械性能和傳感性能方面表現出色，為水下電子皮膚等應用提供了新的解決方案。

啟發

該研究通過巧妙設計三重動態-共價-疏水協同交聯策略，為開發高性能柔性電子材料提供了新思路，推動了水下電子皮膚等領域的應用發展，也為未來設計耐用、穩定的水凝膠材料開辟了新方向。

文章來源

https://doi.org/10.1002/adfm.202507606

來源：Go Cellulose