如今，柔性电子设备发展迅速，其在健康监测、运动追踪和人机交互等领域都展现出了巨大潜力。导电水凝胶是广泛应用柔性电子领域重要柔性材料。水凝胶抗冻性、抗失水性及力学强度等是影响其在可穿戴器件领域应用的重要因素。水凝胶在低温环境下冻结，同时载流子传输减慢，致使其柔韧性和电导率严重下降，在高温环境易失水导致力学性能失效。目前，常用策略是进行聚合物网络修饰或向凝胶体系中引入多元醇等抗冻剂，通过上述方法最高可将水凝胶凝固点降低至-50 ℃附近，但往往无法有效提高低温下的电导率，因此如何兼顾低温下的柔性和导电性仍然是个挑战。
基于此，天津大学封伟教授FOCC团队通过增强凝胶组分与水分子相互作用，甲基丙烯酰胺在室温下自组装形成疏水域，有效地提升了导电水凝胶的抗溶胀性（7天后溶胀率为11%）。丙烯酰胺与纤维素纳米纤维的羟基和甲基丙烯酰胺的酰胺基形成多重动态氢键，提高了材料的力学性能（拉伸强度554.37 kPa），赋予材料自修复能力（3 h内自修复效率=92.51%±0.40%）。离子液体作为导电介质和水锁剂，赋予导电水凝胶在宽温度范围（−50 °C至80 °C）内具有优异的应变传感性能。其应变传感范围在−50 ℃、25 ℃和80 ℃时分别达到526%、890%和300%，应变系数分别为1.1、2.7和1.7。所制备的导电水凝胶可用于宽温域环境下人体运动的监测，为柔性传感材料领域提供了一种新的解决方案。
2025年6月15日，相关研究成果以“Design of High-Temperature-Tolerant, Self-Healing, and Anti-swelling Ion-Conductive Hydrogels for Reliable Flexible Electronics”为题发表在国际权威期刊《Macromolecules》上。2020级博士生于云飞和博士后张志兴为论文共同第一作者，通讯作者是天津大学封伟教授。本研究工作得到了国家自然科学基金重点项目以及国家重点研发项目支持。
图1 导电水凝胶的制备示意图。
图2 导电水凝胶的微观结构。
图3 导电水凝胶的力学性能和抗溶胀性。
图4 导电水凝胶的自修复性能。
图5 导电水凝胶的保水性和分子间相互作用模拟。
图6 导电水凝胶的宽温域应变传感性能。
文章信息：Yunfei Yu, Zhixing Zhang, Shuo Wang, Wei Feng*. Design of High-Temperature-Tolerant, Self-Healing, and Anti-swelling Ion-Conductive Hydrogels for Reliable Flexible Electronics. Macromolecules, 2025, DOI: 10.1021/acs.macromol.5c01230.
全文链接：
https://doi.org/10.1021/acs.macromol.5c01230
通讯作者简介：
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封伟，天津大学二级教授、博导。国家“万人计划”科技创新领军人才、国家杰出青年基金获得者，科技部中青年创新领军人才, 天津市杰出人才，天津市海河英才，天津市首批“131”创新型人才团队负责人，英国皇家化学会会士（FRSC），日本学术振兴委员会JSPS高级访问学者，享受国务院政府特殊津贴专家。任第七届、第八届教育部科技委学部委员、中国复合材料学会常务理事、导热复合材料分会会长、中国机械工程学会材料分会高分子材料专业委员会委员，中国材料研究学会高分子材料与工程分会常务理事、纤维材料改性与复合技术分会常务理事、SAMPE中国大陆总会智能复合材料专委会副主任委员等职。主要从事功能有机碳复合材料，高导热复合材料，光热能转换存储材料，高性能氟化碳材料以及智能响应功能复合材料方向研究，研究成果在Chem.Soc. Rev.、Prog. Mater. Sci.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed等期刊上发表文章200余篇、出版学术专著4部、授权中国发明专利80余项，授权国际专利5项。获得教育部、天津市、中国复合材料学会等省部级自然科学奖、技术发明奖等一等奖5项。
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