在柔性电子快速发展的今天，传统导电水凝胶往往面临制备过程不环保、机械性能与导电性难以兼顾、功能单一等痛点。近日，北京林业大学王堃教授团队团队提出了一种“绿色制备-结构协同-多功能集成”的新策略，以生物质副产物木醋液和低共熔溶剂（DES）为绿色溶剂体系，无需任何有毒试剂，通过一锅法就合成了兼具超级电容器储能和应变传感功能的导电水凝胶。该工作揭示了一种“链间距扩张效应”，成功打通了离子快速传输的通道，并赋予了凝胶优异的抗冻、高离子电导率等特性，为下一代绿色、集成化智能柔性电子提供了新思路。

  2026年7月22日，相关研究以Interchain Spacing Expansion Effect Mediated by Green Solvent System: A Conductive Hydrogel With Multifunctional Energy Storage and Sensing Integration for Flexible Electronics为题发表在材料学期刊《Advanced Functional Materials》上。文章通讯通讯作者是北京林业大学材料科学与技术学院王堃教授。

研发背景：打破功能壁垒，追求绿色高效

  随着可穿戴设备、智能医疗和人机交互技术的爆发式增长，柔性导电水凝胶作为核心材料备受瞩目。然而，目前的导电水凝胶普遍存在“鱼和熊掌不可兼得”的窘境：为了高导电性往往需要牺牲机械强度，且制备过程常依赖重金属、有毒有机溶剂，严重限制了其在实际生活中的安全应用。如何在不使用外加导电填料的前提下，单一材料实现高导电、高韧性、抗冻以及多功能集成，是国际材料学界亟待解决的一大难题。

核心机制：“一锅法”合成与“链间距扩张效应”

  针对上述问题，该研究团队采用了生物质来源的木醋液与低共熔溶剂（DES）作为核心溶剂系统，配合聚乙烯醇（PVA）、壳聚糖（CS）和正硅酸乙酯（TEOS），开发出了一步法绿色合成工艺。

  在这一体系中，木醋液不仅仅充当了溶解PVA和壳聚糖的绿色溶剂，更是一位“多面手”。木醋液内部丰富的有机酸成分提供了合适的酸性微环境，能够温和、高效地原位催化TEOS的水解反应，无需额外引入盐酸等强腐蚀性催化剂即可生成硅酸。生成的硅酸随后通过共价键接枝到PVA分子链的羟基上。更重要的是，木醋液中的酚类、有机酸等天然活性小分子被原位保留在水凝胶网络中，直接在材料层面赋予了凝胶优异的抗菌和抗氧化性能，这种“自带功能”的设计极大简化了传统水凝胶后期复合功能填料的繁琐步骤。

  在凝胶网络结构的调节方面，低共熔溶剂（DES）起到了主导作用。DES体系通过双重机制协同调节凝胶化过程：一方面，其中的尿素分子充当氢键竞争剂，有效打破PVA链间原本致密纠缠的氢键网络，促使分子链解缠；另一方面，DES中游离的氯离子与壳聚糖链上的质子化氨基发生强静电相互作用，不仅屏蔽了链段间的静电斥力，更起到“离子桥接”的作用，加速了均匀、有序凝胶网络的构建。

  这种“木醋液功能化接枝”与“DES诱导有序组装”的协同作用，最终赋予了凝胶独特的“链间距扩张效应”。接枝在PVA链上的刚性硅酸片段，宛如一个个分子级别的“撑杆”，有效撑开并锁定了原本容易纠缠的聚合物分子链，扩大了链间的自由空间。这一独特的结构变化，不仅构建了高效的离子传输通道，更在低温下稳固了网络构型，避免了传统水凝胶因低温导致链段收缩引发的性能劣化。

图1 DES/PVA/CS/TEOS水凝胶的制备及成型机理

性能亮点：抗冻、高导电、强韧兼备

  得益于上述分子结构设计，DES/PVA/CS/TEOS水凝胶展现出了优异的综合性能。在抗冻方面，得益于DES体系中氯离子与水分子极强的结合能力，该水凝胶在-20°C的严寒环境下不仅不发生冰晶化，其凝胶化速度甚至比室温更快，这彻底打破了水凝胶在寒冷环境下无法使用与成型的限制。在导电性方面，该水凝胶在室温下离子电导率高达38.1 mS/cm。在力学方面，水凝胶的拉伸强度提升了50%以上，达到了0.22 MPa，断裂伸长率约为300%，即使在100%的拉伸形变下重复50次，依然能保持结构完整，展现出极佳的柔韧性与耐疲劳性。

应用落地：储能、传感与AI融合

  储能领域：该水凝胶作为凝胶电解质组装成对称超级电容器后，不仅展现了理想的电双层电容特性，能量密度达到7.49 Wh/kg，更实现了10,000次的稳定充放电循环，容量保持率仍高达75%左右。该器件即便在-20°C的极低温度以及弯折、扭曲等苛刻变形条件下，依然能够平稳工作，为户外极端环境下的设备供电提供了理想方案。

图2 DES/PVA/CS/TEOS水凝胶作为凝胶电解质组装成超级电容器的表现

  传感与AI交互：作为柔性应变传感器，它对人体细微运动响应极快（约200 ms），且在多次反复拉伸后信号极度稳定。更令人眼前一亮的是，团队将深度学习（卷积神经网络 CNN）引入传感器的信号解析。通过手指快速弯曲与缓慢伸展产生不同的电信号波形，成功将其转换为“摩尔斯电码”。经过算法训练，该系统在测试中展现出优异的识别精度。这套“无声的沟通系统”在未来可以服务于因气管插管而失去语言能力的重症患者，帮助他们仅靠手指运动表达需求。

图3 DES/PVA/CS/TEOS水凝胶作为应变传感器的表现

  自供电一体化集成系统：此外，研究团队不仅展示了水凝胶在储能和传感方面的单点能力，更是将超级电容器与水凝胶传感器进行了垂直堆叠。不需要外接电池，仅利用电容器放电本身，就能驱动传感器监测手指和手腕的运动，并产生清晰稳定的电流变化信号，真正实现了“材料-器件-系统”的一体化自供电感知功能。

图4 DES/PVA/CS/TEOS水凝胶组装成的自供电一体集成系统

  人机交互初步探索：在传感应用的进一步拓展中，团队制备了3×3的水凝胶阵列传感器，并与MCU信号采集模块集成，构建了压力感知平台，通过热图直观呈现不同按压位置的阻值差异。基于阻值信号的梯度响应特性，团队提出了一种九键加密通信方案，将手指不同弯曲角度产生的不同阻值映射到九宫格的不同字符位置，实现信息编码。在此基础上，团队还搭建了机械手手势控制系统，将水凝胶传感层采集的实时阻值信号转换为驱动指令，让机械手成功同步模仿了人手的手势动作。

  生物安全与环境友好：作为面向人体的应用材料，团队还验证了该水凝胶具备优异的抗氧化、抗菌性能以及良好的生物相容性。再加上其全部原料均源自绿色生物质和低共熔溶剂，没有任何毒副作用，这极大地确保了其在未来的可穿戴医疗、皮肤贴片等健康监测领域的长期、安全使用。

总结与展望

  本研究摆脱了传统导电水凝胶“头痛医头”的旧有开发模式，利用绿色溶剂系统在一锅法制备中自发诱导的“链间距扩张效应”，在材料底层设计中就构建了储能与传感的双重功能。这一工作为设计兼具环保性和多功能性的柔性电子材料提供了一种可参考的技术路径，同时也为后续开展宽温域适应性优化及长期服役稳定性研究提供了基础。

  论文链接https://doi.org/10.1002/adfm.77265