湖南工业大学经鑫教授课题组 AFM：高韧性、抗溶胀各向异性导电水凝胶

2024-08-27 来源：高分子科技

传统的水凝胶通常结构无序且交联松散，这导致其机械性能不尽如人意，严重阻碍了其实际应用。近年来，受生物体组织结构的启发，研究人员采用定向冷冻、电磁场诱导等方式在水凝胶内部成功构造了各向异性结构来制备强韧的水凝胶，但往往存在操作复杂且功能单一的问题。此外，水凝胶存在的溶胀问题极大限制了其在水下传感中的应用。

为了解决上述问题，湖南工业大学经鑫教授课题组通过将预拉伸工艺、高价金属离子配位交联及引入荧光碳点进行有机结合，研制了一种超高韧性、荧光性能优异的聚丙烯酰胺/海藻酸钠/锆离子/碳点(PAM/SA/Zr⁴⁺/CDs, PSZC)水凝胶 (图1)。该水凝胶内部致密的网络结构赋予了其优异的力学和抗溶胀性能，可用于水下传感应用。此外，各向异性网络中的海藻酸钠为碳点提供了丰富的键合位点，使得制备的水凝胶具有荧光特性，可用于视觉传感应用。该工作以“Mechanically Robust and Anti-Swelling Anisotropic Conductive Hydrogel with Fluorescence for Multifunctional Sensing”为题发表在《Advanced Functional Materials》上(adfm.202410698)。

图1. 各向异性 PSZC 水凝胶的制备和应用示意图

通过结合SEM，FTIR，二维XRD等表征结果，验证了拉伸定向和Zr⁴⁺的锚定赋予了PSZC水凝胶各向异性且致密的网络结构（图2）。

图2. PSZC 水凝胶的表征

水凝胶优异的取向结构使得其有助于在拉伸方向上实现快速的应力传递，这使得水凝胶无论是在小应变（100%）还是大应变下（300%）都具有较低的能量耗散和快速回复能力。此外，各向异性的网络结构赋予了水凝胶抵御裂纹扩展的能力，在重复拉伸1000次后裂纹仍旧没有明显扩展，表明水凝胶具有卓越的稳定性和可靠性（图3）。

图3. PSZC 水凝胶的回复能力和抗裂纹扩展能力

负载的碳点赋予了PSZC水凝胶优异的荧光性能，使其无论在扭曲还是拉伸状态下都保持较好的荧光特性。另外，水凝胶的荧光亮度和电阻变化之间具有较好的线性相关度（R2=0.968）。因此，通过亮度估算水凝胶的电阻变化情况从而实现潜在的视觉传感，赋予了水凝胶多功能的传感能力（图4）。

图4. PSZC 水凝胶的光学行为

PSZC致密的网络结构还赋予了其优异的抗溶胀能力。这使得该水凝胶可以在水下长期使用而不受溶胀影响（在水中30天的溶胀率为1.7%）。将PSZC水凝胶贴附于模型鱼上，可以实时监测模型鱼的前进方向和运动速率。这些实验结果显示了 PSZC 水凝胶在水下传感中的广阔前景，使其适用于监测各种生物和水下设备的运动轨迹（图5）。

图5. PSZC 水凝胶在水下传感中的应用

湖南工业大学包装与材料工程学院硕士研究生张垚勋为本文第一作者，湖南工业大学包装与材料工程学院经鑫教授和郑州大学橡塑模具国家工程中心的米皓阳教授为本文的共同通讯作者。该工作得到了湖南省自然科学基金等项目的支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202410698

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（责任编辑：xu）

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