厦门大学林友辉教授团队 Adv. Funct. Mater.: 一锅法合成Hofmeister效应辅助型多功能双网络有机水凝胶

2024-02-04 来源：高分子科技

软导体因其柔韧性和可拉伸性，在人体健康监测、人机交互、物联网等领域展示出巨大的应用潜力。其中，多功能水凝胶因其可调的机械性能、优良的导电性以及卓越的生物相容性等特点而备受关注。然而，目前大多数设计理念和制备方法较为复杂且低效。

图1设计构建多功能双网络有机水凝胶

近期，厦门大学林友辉教授团队结合Hofmeister效应和油/水体系，采用简便的一锅法设计了一种具有高透明度、可调的机械性能、优异的环境稳定性和可自由塑形的离子导电双网络有机水凝胶(PGAOH)(图1)。由于明胶不能直接在高浓度的硫酸铵溶液中分散，制备Hofmeister效应辅助型明胶水凝胶通常采用后处理的方式。然而，这种方法耗时较长，且对凝胶的体积大小难以控制。有趣的是，本研究意外发现丙烯酰胺分子有助于明胶分散在高浓度的硫酸铵溶液中，可以实现一锅法制备Hofmeister效应辅助型凝胶，从而显著减短凝胶合成所需时间，并有助于稳定凝胶的体积。同时，体系中的丙烯酰胺分子可以通过光聚合反应形成另一个聚合物网络（聚丙烯酰胺），进一步提升PGAOH的机械性能。研究团队选择了无硫酸铵/无甘油(PGH)和仅无硫酸铵(PGOH)的凝胶体系作为对照组，旨在深入研究硫酸铵和甘油对PGAOH性能的具体影响。研究结果揭示，硫酸铵和甘油均能显著提升PGAOH的机械性能。PGAOH展现出了卓越的机械性能，其模量为177 KPa，韧性为2490 KJ m^?3。这些性能明显优于对照体系PGH(模量为55 KPa，韧性为426 KJ m^?3)和PGOH(模量为79 KPa，韧性为1588 KJ m^?3）。此外，甘油的引入显著提高了PGAOH的环境稳定性和透明度(图2, 3)。

图2硫酸铵和甘油对PGAOH性能的影响

图3 PGAOH的环境稳定性

研究团队还通过将PGAOH与信号采集/处理电路进一步结合，成功打造了一款虚拟现实(VR)跑酷游戏。在这款游戏中，玩家可以通过自身的身体运动来操控游戏内角色的动作，这种创新的交互方式极大地增强了玩家的沉浸式游戏体验(图4)。这项工作展示了一种一锅法制备Hofmeister效应辅助型多功能有机水凝胶的新策略，该方法既简单又省时，有望在可穿戴软电子器件基材领域展现出极大的应用潜力。该工作以“Hofmeister Effect-Assisted Facile One-Pot Fabrication of Double Network Organohydrogels with Exceptional Multi-Functions”为题发表在《Advanced Functional Materials》上（Adv. Funct. Mater. 2024, 2307566）。文章共同第一作者是厦门大学博士研究生余德帅和易佳，通讯作者为厦门大学林友辉教授。该研究得到了国家自然科学基金项目（12274356）、中央高校基本科研业务费专项资金（20720220022）和111引智计划（B16029）的资助。

图4 PGAOH的电学性能及其应用

该工作是团队近期关于调控高分子的结构与性能相关研究的最新进展之一。在过去的研究中，结合微纳米制备工艺，团队开发了一系列基于高分子结构调控体系（Adv. Mater. 2019, 31, 1900870;Small Methods 2021, 5, 2001060; Adv. Func. Mater. 2016, 26, 8978；ACS Appl. Bio Mater. 2020, 3, 2891），在此基础上探索了其在柔性功能器件和人机交互领域的应用潜能（Adv. Sci. 2023,10, 2207400；Small 2020, 16, 2000128;），并且深入探索了半结晶高分子聚合物的结构形成与转化，开创了调控聚合物分子取向的全新策略(Nat. Commun. 2024, 15, 118)。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202307566

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（责任编辑：xu）

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