导电水凝胶的增韧机制研究已取得显著进展，但伴随而来的电阻变化问题逐渐显现。特别是构建高韧性导电水凝胶体系时，其导电性与机械性能之间形成难以协调的竞争关系。因此满足实际应用稳定性要求、具有卓越机械性能和高导电特性的水凝胶材料仍是该领域亟待突破的关键技术难题。
图1. 超拉伸导电水凝胶的设计思路和规则排列的微观结构
近期，大连工业大学纺织科学与工程学院的郭静-张森教授团队地提出"拓扑网络结构-纳米纤维协同增强"双效机制，通过海藻酸钠拓扑网络重构与银纳米纤维动态缠绕的协同作用，构建具有多尺度能量耗散体系的智能水凝胶材料。水凝胶表现出了超拉伸性（8226%）、高强度（220 kPa）、高韧性（8.82 MJ/m3）、13.5 kPa的杨氏模量。同时，通过应力诱导实现银纳米纤维定向排列与拓扑网络解缠结的协同响应，建立了机械力-电导率的动态耦合关系，不仅实现了水凝胶的高电导率而且它还可以再一定的应变范围内对电导率进行可逆调控。这种多尺度结构协同策略突破了传统水凝胶“强度-延展性-导电性”的性能三角限制，为开发新型仿生电子皮肤和智能驱动器提供了新的设计理念。
2025年11月6日，该工作以“Ordered Nanostructures Formed by Multi-Interactions for Toughening the Ultrastretchable Conductive Hydrogel”为题发表在《Macromolecules》上。文章第一作者是大连工业大学的暴达博士，该研究得到国家自然科学基金委、辽宁省教育厅的支持。
研究基于水凝胶体系中同时存在“软段-硬段”分子链可以提升应变性能的理论，研究首先对水凝胶基体海藻酸钠(SA)的拓扑结构进行了优化调控。为解决SA刚性较强的问题，研究通过氧化法制备了具有柔韧性结构的氧化海藻酸钠（OSA）。同时，通过氧化条件的优选，实现了海藻拓扑结构的优化调控。为弥补基体强度的下降，研究将柔性大分子聚乙二醇单甲醚（mPEG）通过接枝共聚反应将其接枝到海藻酸钠分子链，得到接枝共聚物（OSA-g-mPEG）。OSA-g-mPEG利用两种聚合物之间的共价作用以及柔性支链mPEG的缠结限定分子运动，制衡OSA断裂强度的降低(Figure 1)。
图2. 超拉伸导电水凝胶体系中不同分子间的相互作用力分析
其次研究团队在水凝胶体系内引入了具备较高长径比的银纳米纤维(AgNFs)作为第二种增韧方式。AgNFs在水凝胶体系中展现出独特的双功能协同效应，不仅作为高效电子传输的导电网络构筑单元，更可以作为一种交联剂通过动态物理交联机制在分子层面与聚合物基体形成相互作用，从而实现对材料力学性能的精准调控。在整个水凝胶体系中，AgNFs通过与聚合物链段产生动态缠绕效应从而直接参与三维网络的构建。此外，在应力诱导的作用下，水凝胶网络展现出独特的应变响应行为：一方面，AgNFs在应力诱导作用下形成的定向排列成为应力的传递通路，可以有效分散局部应力集中；另一方面，AgNFs-分子链界面处的动态解缠结行为可触发多重能量耗散机制，包括纳米线滑移、聚合物链段重排及氢键/配位键的可逆断裂与重构。这种从分子尺度（动态键重组）到介观尺度（纳米网络的演化）的多级协同耗散机制显著提升了水凝胶的断裂韧性。这种结构-功能一体化设计策略协同基体拓扑结构的优化调控共同形成了“拓扑结构-纳米纤维”协同增强机制，不仅突破了传统水凝胶力学性能与功能性的权衡限制，更为柔性电子皮肤、生物传感接口等前沿应用提供了创新思路。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.5c01625
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