英文原题：Ultradurable Noncovalent Cross-Linked Hydrogels with Low Hysteresis and Robust Elasticity for Flexible Electronics
通讯作者：成一龙，西安交通大学
作者：Kai Xu, Kaixiang Shen, Jing Yu, Yuxuan Yang, Yuantao Wei, Peiling Lin, Qiang Zhang, Chunhui Xiao, Yanfeng Zhang, and Yilong Cheng
导电水凝胶在软体机器人、可穿戴设备、人机交互和健康监测等柔性电子领域显示出巨大的应用前景。然而就实际应用而言，对导电水凝胶的机械性能有着更高的要求。在水凝胶网络设计中引入了不同的非共价作用，如氢键、配位作用、疏水相互作用、静电相互作用等，已被证实可以用于构建具有优异机械性能、易加工和可重塑的水凝胶材料，且有利于制造应对不同应用场景与具有各种功能的柔性电子器件。然而在目前报道的系统中，大多数水凝胶经过连续的加载-卸载过程会观察到明显的滞后和机械强度下降，这可能会导致信号反馈不准确，并极大地限制了其使用寿命。因此，开发具有高弹性、低滞后性和优异耐用性的水凝胶基质至关重要。作为一种非共价相互作用，B-N配位已被广泛研究并应用于聚合物太阳能电池、自修复材料和超分子聚合物的构建。在水凝胶的设计中引入B-N配位作用，可以在网络结构中构建强的非共价交联点，有可能提高水凝胶材料在多次机械循环中的稳定性。然而，以B-N配位作用作为凝胶化的主要驱动力，目前鲜有报道。
图 1. (A) P(AMx–APBAy) 水凝胶的制备示意图及PAM2和 P(AM2–APBA0.06) 的凝胶化行为。(B) P(AM2–APBA0.06)水凝胶的拉伸压缩照片。(C) P(AM2–APBA0.06)水凝胶的微观形貌。(D)和(E) B-N配位机理验证。
近日，西安交通大学成一龙等在Chem. Mater.上报道了以 B-N 配位作用为主要非共价作用力、兼具高拉伸性、高弹性、低滞后性的水凝胶材料，并在柔性电子器件开发中显示出巨大应用潜力。由于 B-N 配位的出色稳定性，水凝胶可以在 500次拉伸循环（200% 的应变）过程中残余应变<10%并保持其初始应力（>95%）。此外， NaCl的添加提高了水凝胶机械性能（断裂应力0.21 MPa，断裂应变1600%），并赋予水凝胶高电导率（4.8 S/m）和优异应变传感系数（GF=10.2）。该导电水凝胶可以准确区分应力应变（2.5-200% 的拉伸应变和 1-25 kPa 的压缩应力），并能够连续输出超强耐久性的可靠电信号（1000 次拉伸循环，100% 应变和 1000 次压缩循环，15 kPa应力）。结合一定组织粘附性，该导电水凝胶可以监测各种人类活动并输出相应信号。这项工作为开发高拉伸性、高弹性和低滞后水凝胶提供了一种新的解决方案。
图 2. P(AMx–APBAy) 水凝胶的机械性能
P(AMx–APBAy) 水凝胶具有超弹性，不同应变下的拉伸和松弛轨迹几乎重叠。P(AMx–APBAy) 水凝胶还表现出优异的抗疲劳性能，在200% 的应变下经过500圈循环拉伸后，每一圈应力-应变曲线几乎重合，最大力保持在初始值的95%以上，残余应变保持在10%以内。在50%的压缩应变下经过1000圈循环压缩，每一圈应力-应变曲线同样几乎重合，且最大力与耗散能始终保持稳定。
图 3. P(AMx–APBAy)NaClz水凝胶的机械性能
引入NaCl后，由于聚合物分子链的进一步缠结或疏水微区的形成，水凝胶的机械性能得到了进一步提升（断裂应力为0.21 MPa，断裂应变为1600%）。P(AMx–APBAy)NaClz水凝胶同样表现出优异的抗疲劳性能，在应变为200%的500圈循环拉伸测试中，其最大力始终维持在92%以上，且残余应变维持在10%以下。
图 4. P(AM3–APBA0.06)NaClz水凝胶的电导率与传感性能
NaCl的引入赋予水凝胶高电导率（4.8 S/m）和优异应变传感系数（GF=10.2）。导电水凝胶可以准确区分各种变形（2.5-200% 的拉伸应变和 1-25 kPa 的压缩应力），并连续输出可靠电信号（100% 应变1000 次循环拉伸和15 kPa应力1000 次循环压缩）。
图 5. P(AM3–APBA0.06)NaCl1.72水凝胶在人体活动监测中的应用
P(AM3–APBA0.06)NaCl1.72水凝胶具有一定的组织粘附性和高透光率，可以稳定监测人体的各项活动，并可作为书写板进行信息传输，在信息加密领域同样表现出潜在的应用价值。
本工作不仅为解决非共价交联水凝胶在多个机械循环过程中出现的明显滞后和力学性能下降的问题提供了新的解决方法，也为柔性电子器件的开发提供了良好的选择。
相关论文发表在Chemistry of Materials上，西安交通大学硕士研究生许凯和申锴翔为文章的共同第一作者，成一龙研究员为通讯作者。
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Chem. Mater. 2022, ASAP
Publication Date: March 17, 2022
https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c00093
Copyright © 2022 American Chemical Society