东华大学叶长怀教授/朱美芳院士团队AFM：兼具超高电导率和高机械强度的多功能复合水凝胶

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导电水凝胶由于其独特的柔韧性、可拉伸性、电子/离子电导率和生物相容性的优势，在生物电子学、软体机器人和生物医学领域有着广泛的应用。然而，目前制备的导电水凝胶，无论是离子导电水凝胶还是添加导电粒子的导电复合水凝胶，普遍存在电导率不高（通常都低于10 S/m）和电导率随水凝胶形变波动大的问题，限制了导电水凝胶材料在很多领域的应用，比如电磁屏蔽，电加热和储能等方面。另一方面，除了高电导率外，在很多应用场合都要求水凝胶材料具有高的拉伸强度和模量。然而，传统方法制备的均质水凝胶材料很难兼具超高的电导率和高的力学性能。

针对以上问题，叶长怀教授/朱美芳院士团队通过静电纺丝和真空辅助抽滤方法制备了兼具超高电导率和高力学强度的三明治结构ANF-PVA/AgNWs导电水凝胶杂化材料。静电纺丝得到的芳纶纳米纤维增强的聚乙烯醇水凝胶层（ANF-PVA）为三明治结构水凝胶提供高的力学性能，通过真空辅助抽滤在纳米多孔纤维毡上沉积的银纳米线/PVA层为水凝胶提供超高的电导率。

图1. (a) ANF 增强 PVA 水凝胶和具有三明治结构的导电杂化水凝胶的制造过程示意图。(b) ANF 增强 PVA 水凝胶中分子间相互作用的示意图。(c, d) 静电纺丝法制备的 ANF-PVA 纤维毡的图片和 SEM 显微图片； (e, f) 通过在 ANF-PVA 纤维毡上真空辅助过滤 AgNWs/PVA 制备的导电杂化水凝胶；(g, h) 三明治结构的导电水凝胶

基于静电纺丝纤维毡的多级结构设计以及ANF和PVA之间强的氢键相互作用，制备的ANF-PVA杂化水凝胶具有高达10.7-15.4 MPa的弹性模量，3.3-5.5 MPa的拉伸强度以及5.7 kJ m^-2的断裂能。由于AgNWs/PVA层与ANF-PVA层之间具有优异的界面粘结强度，所制备的三明治结构ANF-PVA/AgNWs导电杂化水凝胶的力学性能可以达到ANF-PVA水凝胶相近的力学性能，其弹性模量达到11 MPa，拉伸强度3.3 MPa和5.4 kJ m^-2的断裂能。

图2. (a) 拉伸应力-应变曲线；(b) 拉伸强度，弹性模量；(c) 具有不同 ANF 含量的 ANF 增强 PVA 水凝胶以及具有 0.23 vol% AgNWs 的三明治结构 ANF1.96%-PVA/AgNWs 复合水凝胶的断裂伸长率和断裂能

ANF-PVA/AgNWs导电杂化水凝胶除了具有优异的力学强度，还具有高达1.66×10⁴ S m^-1的表观电导率。更重要的是，在0-90%的拉伸应变下，水凝胶具有不随应变变化的稳定的电导率，在对水凝胶循环拉伸-释放500次后，只仅仅有±10%的电阻波动。稳定的电导率主要归因于弹性 PVA 水凝胶包裹的网状结构的导电 AgNWs以及 ANF-PVA 和 AgNWs-PVA 层之间的高粘合强度。在受到外力拉伸时，网状结构的导电网络只是发生轻微的变形并且表面没有发生大的滑移和裂纹。因此沿着AgNWs网络方向的电子传输路径和长度几乎没有变化, 从而导电杂化水凝胶的导电性基本不受拉伸应变的影响。基于三明治结构水凝胶超高和稳定的电导率，他们展示了水凝胶材料在小电压驱动加热和电磁屏蔽方面的潜在应用。

图3. (a) 和 (b) 具有 不同AgNWs含量的导电ANF-PVA/AgNWs水凝胶的方块电阻和表观电导率；(c) 具有AgNWs体积分数0.23%的ANF-PVA/AgNWs水凝胶拉伸应变-电阻值；(d) 拉伸应变设置在15%条件下，循环拉伸-恢复的电阻变化；(e) 折叠角度180°下的循环折叠-恢复的电阻变化；(f) 水凝胶拉伸强度和电导率的比较；(g) 拉伸、弯曲和扭曲条件下导电ANF-PVA/AgNWs水凝胶作为导体点亮LED灯泡的图片；(h) 杂化水凝胶拉伸前后通过导电网络的网状导电AgNWs网络和电子传输路径示意图

图4. (a) 通过施加不同的电压ANF-PVA/AgNWs水凝胶的焦耳-加热性能；(b)， (c) 和 (d) 0 V，1 V和1.5 V 条件下的水凝胶的红外热成像图片；(e) ANF-PVA/AgNWs 水凝胶作为电致变色材料的应用演示

图5. (a) 在X波段下的电磁屏蔽性能；(b) ANF-PVA/AgNWs水凝胶 SET，SER和SEA的比较；(c) 导电ANF-PVA/AgNWs 水凝胶用于无线模块电磁屏蔽的应用实例展示

相信这次工作开发了一种新颖的策略去制备具有高机械性能和超高电导率的可拉伸水凝胶，本次工作对于拓展水凝胶在柔性生物电子和软体机器人的应用具有巨大的潜力。

该研究以“Mechanically Strong and Multifunctional Hybrid Hydrogels with Ultrahigh Electrical Conductivity”为标题发表在Advanced Functional Materials上。论文的第一作者为东华大学材料科学与工程学院博士生周庆亚，共同通讯作者为东华大学叶长怀教授和朱美芳院士，东华大学孙宾教授和南密西西比大学强哲教授为论文的共同作者。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104536

https://doi.org/10.1002/adfm.202104536

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