溶胀是传统水凝胶的一个典型特征，但在很多情况下它却是一把双刃剑。由于水凝胶的聚合物骨架通常带有大量的亲水侧基，在水性环境中，大量的水容易渗入水凝胶网络，导致溶胀的发生。尽管溶胀有利于水凝胶在超吸水剂、尿不湿、堵漏剂等领域的应用，但在新兴领域如柔性电子材料中，溶胀是水凝胶的一个固有缺点。一方面，水凝胶溶胀导致的体积膨胀容易造成其与非溶胀干燥基材之间的界面失配，影响设备的正常功能。另一方面，溶胀通常会导致水凝胶网络中聚合物分子链的稀释，从而降低其机械性能，妨碍相应器件的力学可靠性。因此，构建稳定耐用的水下柔性电子面临的一个关键挑战就是实现水凝的抗溶胀行为。

  水凝胶的溶胀机理是聚合物-水相互作用力和聚合物分子链弹性回缩力之间的竞争平衡。前者促进溶胀，后者抵抗溶胀。为了实现水凝胶的抗溶胀性，需要减弱聚合物与水的相互作用，增强分子链回缩力。传统抗溶胀水凝胶的发展依赖于增加化学交联密度来增加弹性回缩力，但这会使凝胶的硬度大大提高，柔性和断裂韧性下降，从而阻碍了实际应用。目前，更多的努力是削弱水凝胶中聚合物-水的相互作用，如引入疏水缔合、双网络结构、离子络合物等。这些方法使水凝胶具有理想的抗溶胀和机械性能。

尽管研究者们在开发抗溶胀水凝胶方面取得了大量突破，但目前来说，此类水凝胶的制备方法仍然复杂且耗时。完成凝胶化通常需要几个小时甚至几天的时间，不适合快速大规模生产。快速制备高性能抗溶胀水凝胶仍然是目前该领域的一个挑战。

  为解决以上难题，在本工作中作者利用MXene激活链引发和锆离子(Zr⁴⁺)诱导交联的协同作用，在无需任何外部能量输入的情况下，实现丙烯酸/明胶预聚液的常温快速凝胶化(10¹秒)。制得的水凝胶表现出UCST行为，在常温下兼具优异的机械、抗溶胀以及导电能力。利用该凝胶作为传感模块组装水下无线通讯装置，成功演示了水下到地面摩斯密码的无线实时传输，为强韧抗溶胀水凝胶的超快制备提供了新的思路。

  相关研究结果以“Rapid Gelation of Tough and Anti-Swelling Hydrogels Under Mild Conditions for Underwater Communication”发表在Advanced Functional Materials, 论文的第一作者为四川大学高分子学院研究生皮梦焓，通讯作者为崔为副研究员，冉蓉教授。

图1. 快速制备抗溶胀水凝胶的策略及其与其他抗溶胀水凝胶体系的综合性能对比。

  MXene与热引发剂APS混合时能够在室温条件产生大量的自由基，由此迅速引发丙烯酸的聚合。同时，前驱液中的Zr⁴⁺可以迅速交联生成的聚丙烯酸分子链，从而实现快速凝胶化。为了实现抗溶胀性能，体系中同时引入明胶，通过明胶与聚丙烯酸之间的动态氢键，使得水凝胶的上临界共溶温度(UCST)高于室温，实现其在室温下的抗溶胀性能。

图2. 通过MXene激活链引发和Zr⁴⁺诱导交联的协同作用实现水凝胶快速凝胶化。

  MXene是室温下快速凝胶化的关键，不含MXene的前驱液在室温下无法凝胶；而不含Zr⁴⁺的前驱液由于缺乏Zr⁴⁺的强交联作用只能实现缓慢的部分凝胶化；当且仅当前驱液同时包含MXene和Zr⁴⁺时才能够实现快速且完整的凝胶化。此外，凝胶化时间(22s-289s)可以通过调整MXene和Zr⁴⁺的含量来简单控制。

图3. MXene和Zr⁴⁺含量对凝胶网络结构和力学性能的影响。

  通过改变MXene和Zr⁴⁺的含量可以在宽范围内轻松调控水凝胶的内部孔结构以及力学性能。

图4.复合水凝胶的UCST行为。

图5.复合水凝胶的抗溶胀性能。

图6.抗溶胀复合水凝胶的导电性能。

图7. 抗溶胀复合水凝胶作为水下通信器模块的演示。

  基于导电抗溶胀凝胶优异的水下灵敏度，进一步论证了该水凝胶通过摩斯密码传递信息的实际水下应用。“UP”和“SOS”等指令可以通过水凝胶将身体部位的特定运动转换为电信号无线传输至地面的解码器并生成可见的英文字母。

  总结：同时在水凝胶体系中实现快速凝胶化、抗溶胀性能、高机械性能和导电性对快速制备可靠的水下柔性电子设备具有极其重要的意义，但又极具挑战性。这项工作通过一种简单的协同策略将这些功能集成在水凝胶体系，为开发下一代水下应用的湿软材料提供了借鉴。

  原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202210188