《AEM》復旦大學趙婕 ：快速原位合成高透明導電水凝膠用于柔性電子

研究背景

柔性電子材料作為下一代智能器件的核心組成部分，在電子皮膚、可穿戴健康監測、軟體機器人、人機交互等領域展現出廣闊的應用前景。其中，水凝膠因其獨特的3D網絡結構、優異的生物相容性、離子導電性和機械柔性，被視為理想的柔性電子基材。然而，傳統水凝膠的合成工藝與性能平衡仍面臨多重瓶頸：其一，常規自由基聚合依賴光或熱引發，需復雜設備且反應條件苛刻，難以實現快速、可控的規模化生產；其二，水凝膠的機械強度、環境穩定性和功能特性（如導電性、透明性）之間存在顯著矛盾，例如高交聯度可增強力學性能，但會犧牲材料的延展性；其三，低溫環境下水分子結冰會導致網絡結構破壞，而添加抗凍劑（如甘油）雖可降低凝固點，卻可能抑制聚合反應或降低導電性。此外，水凝膠在長期使用中易因失水而喪失功能，需頻繁更換，限制了其實際應用場景。盡管已有研究通過引入雙網絡結構、動態鍵或鹽類電解質優化性能，但如何通過簡單、低成本的策略協同提升水凝膠的綜合性能，仍是學術界與工業界亟待攻克的關鍵難題。

文章概述

近日，復旦大學材料科學系趙婕團隊提出了一種基于鉬碳化物衍生多金屬氧酸鹽（Mo-POM）的快速原位合成策略，成功制備出兼具高透明性、導電性、超拉伸性及環境穩定性的多功能水凝膠，為柔性電子器件的設計與制造提供了創新解決方案。該技術通過構建Mo-POM與過硫酸銨（APS）的氧化還原引發體系，在室溫下實現秒級可控聚合，顯著提升了反應效率并降低生產成本。快速聚合過程產生的“凍結效應”有效鎖定了海藻酸鈉（SA）與LiCl的均勻分散，避免了傳統方法中因長時間反應導致的SA絮凝與鹽橋效應，使水凝膠的透明度在7天后仍保持94%（對照組僅為52.7%），同時力學性能大幅優化，斷裂伸長率達2168%、拉伸應力達243.6 kPa。通過引入LiCl，水凝膠的抗凍性（凝固點-54.6℃）與保水性（50天后質量保留64.8%）實現協同增強，且在96小時循環拉伸中應力波動率低于5%，突破了鹽類添加劑易引發相分離的難題。此外，Mo-POM的電子傳導與LiCl的離子遷移協同作用賦予水凝膠優異的電-機械性能，在-50℃下導電率仍保持1.06 S/m，結合雙網絡結構的能量耗散機制，其傳感器響應時間僅149毫秒，可精準捕捉從語音振動到關節彎曲的多尺度運動信號，并實現手寫筆跡的高分辨率識別。實驗表明，該水凝膠可在3萬次循環負載后保持穩定的電信號輸出，為極端環境下的可穿戴設備與醫療監測系統提供了可靠材料基礎。

圖文導讀

圖1所示。a-d) HRTEM圖像，Ph為1.1、4.3和7.9時Mo-POM的水動力尺寸分布。e-g) mo - pom誘導的水凝膠聚合過程的數碼照片：凝膠前，凝膠中，凝膠后。h)含18.75 wt.% LiCl的水凝膠與對照組（7天后Rh為54%）的透明度。(h): 18.75 wt.% licl基水凝膠圖像，保存7天后。

圖2。a) ESR光譜捕捉POM與APS反應時的·OH生成。b)自由基猝滅實驗(甘油、亞硝酸鈉、空白組)數碼照片。c)基于溫度變化劃分的聚合初始階段示意圖。d,e) mo - pom和APS的加入對誘導期和聚合加速期的影響。f,g)不同分子量的sa對聚合反應誘導期和加速期的影響。h,i)不同離子對誘導期和聚合加速期的影響。

圖3。a)不同組分水凝膠的抗脫水試驗。b)不同LiCl含量水凝膠的抗脫水試驗。c)不同氯鹽水凝膠的凝固溫度。d)不同LiCl含量的水凝膠在不同溫度下的電導率。e)通過180度剝離試驗表征不同分子量和不同sa濃度的水凝膠的粘附性。f)采用不同的粘附方法和不同的材料，測試不同組分的水凝膠的粘附性。g)通過180度剝離試驗表征不同LiCl含量水凝膠隨時間的粘附耐久性。h)通過180度剝離試驗表征了水凝膠與不同氯鹽在低溫下的粘附性。

圖4。A)含有不同離子的水凝膠的電導率。B)作為傳感器的水凝膠的機械輸入-電輸出同步。C)水凝膠傳感器對不同振幅的力學變化的穩定響應。D)水凝膠傳感器對不同頻率機械變化的穩定響應。e)不同LiCl含量水凝膠在長期應力加載-卸載循環下的電信號穩定性測試。F)水凝膠傳感器在連續應力變化下的響應時間。G)水凝膠傳感器對語音的響應信號。H)水凝膠傳感器對面部表情的響應信號。i)水凝膠傳感器對彎頭彎曲的響應信號。J-m)水凝膠傳感器對筆跡的響應信號作為筆跡識別版本。

結論

團隊開發的Mo-POM/APS快速原位合成策略，通過氧化還原引發與“凍結效應”的協同作用，成功解決了傳統水凝膠在制備效率、性能均衡性及環境適應性方面的關鍵難題。該技術不僅實現了室溫秒級可控聚合與高透明/超拉伸性能的兼容，還通過LiCl的分子級耦合將抗凍性與保水性提升至行業領先水平。實驗證明，所得水凝膠在-50℃極端低溫下仍具備高導電性與快速響應能力，為極地科考裝備、低溫醫療傳感器等應用提供了新材料范式。此外，該策略可拓展至其他聚合物體系（如聚乙烯醇、聚丙烯酸），通過替換金屬氧簇或電解質類型定制功能，在自愈合電極、可拉伸電池等領域具有廣闊前景。此項研究為高性能水凝膠的工業化生產與柔性電子技術的實用化推進提供了重要理論支撐與技術路徑。

期刊簡介

期刊Advanced Electronic Materials重點發表物理：應用、材料科學：綜合、納米科技相關方向的文章。

該期刊是一個跨學科論壇，在材料科學，物理學，電子和磁性材料工程領域進行同行評審，高質量，高影響力的研究。除了基礎研究外，它還包括電子和磁性材料、自旋電子學、電子學、器件物理學和工程學、微納機電系統和有機電子學的物理和物理性質的研究。期刊最新引文指標為0.9，最新影響因子為5.3（2023）。

來源：奇物論