新加坡国立大学：通过冷冻铸造辅助溶液替代的强韧导电有机水凝胶

高强度、韧性和导电性是柔性电子产品最受欢迎的特性之一。然而，现有的工程材料很难同时实现优异的机械性能和高导电性。为了应对这一挑战，该研究提出了一种简便而通用的策略，用于通过冷冻浇铸辅助溶液替代 (FASS) 制备超坚韧的导电有机水凝胶。这种 FASS 策略能够一步形成有机水凝胶，具有精细的分层各向异性结构以及跨多个长度尺度的协同强化和增韧效应。作为示例性材料，制备的溶剂含量高达 87 wt% 的聚乙烯醇 (PVA) 有机水凝胶表现出高强度 (6.5 MPa)、高拉伸性 (应变 1710%)、超高韧性 (58.9 MJ m-3) 的组合，以及高达 6.5 S m-1 的高离子电导率和出色的应变灵敏度。机械性能和导电性的出色结合使 PVA 有机水凝胶成为一种很有前途的柔性电子材料。此外，FASS 策略还可以赋予水凝胶多种功能，包括热愈合性、耐冻性和形状恢复性，并可应用于多种水凝胶材料，如羧甲基纤维素、海藻酸钠和壳聚糖。因此，这项工作为制备适用于多种应用的先进强韧导电软材料提供了一个全方位的解决方案。

图1 A) PVA 有机水凝胶 (FC-EtFe) 的冷冻铸造辅助溶液替代 (FASS) 策略示意图。B) FC-EtFe 沿 A) 水平和 B) 垂直方向的显微截面示意图和 SEM 图像。C) 非常柔韧、坚固和坚韧的有机水凝胶的光学图像，它可以压缩、折叠、打结，并用于携带一小块 20 公斤的水桶。

图2 A) 一次冻融水凝胶 (FC-1T)、B) 五次重复冻融水凝胶 (FC-5T)、C) 乙醇取代的有机水凝胶 (FC-Et) 和 D) 乙醇三价铁的微观形貌 氯化物溶液取代有机水凝胶 (FC-EtFe)，包括 i、ii) 冻干水凝胶的 SEM 图像和 iii) 湿水凝胶的共焦图像。E) X 射线衍射 (XRD) 图案，F) 差示扫描量热法 (DSC) 曲线和 G) 计算的水凝胶结晶度值。

图3 水凝胶的机械性能。

图4 FC-EtFe 有机水凝胶的多功能特性。

相关论文以题为Strong and Tough Conductive Organo-Hydrogels via Freeze-Casting Assisted Solution Substitution发表在《Advanced Functional Materials》上。通讯作者是新加坡国立大学Wei Zhai助理教授。

参考文献：

doi.org/10.1002/adfm.202203610