华南理工大学刘伟峰《ACS Sustain. Chem. Eng.》：具有类肌肉取向结构的生物质增强增韧导电水凝胶

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导电水凝胶在柔性电子器件、智能柔性机器人、生物医学等领域有很高的潜在应用价值，但高性能导电水凝胶的制备仍是一个难题，因为水凝胶的机械性能、导电性和环保性往往难以兼顾。聚乙烯醇（PVA）是一种由非化石原料而成的可生物降解材料，是制备水凝胶的常见原料，但纯PVA水凝胶的机械性能较差，需要加入填料进行改性。纤维素和木质素是自然界中含量最丰富的两种生物资源。纤维素纳米纤维（CNF）作为一种绿色增强填料，它与基体的弱相互作用在一定程度上限制了其增强效果。木质素含有丰富的有效官能团，但它易团聚的特性也使其难以发挥有效的增强效应。骨骼肌内部肌肉纤维高度定向排列的独特结构使其具有优异的机械性能和抗疲劳性能、以及可通过训练实现增强的独特属性。已有研究证实可通过机械训练法制备具有微晶取向结构的纯PVA水凝胶，但增强效果不够可观，且难以稳定。

受骨骼肌微观结构和增强机制的启发，华南理工大学生物质资源化工团队的刘伟峰研究员以木质素和纳米纤维素两种生物质为增强助剂、采用机械训练法制备了一种具有取向结构的高强高韧PVA复合导电水凝胶，所构筑的双物理增强网络和类肌肉纤维取向结构将CNF的增强效果提升至全新的高度。通过反复拉伸将水凝胶原本无序的内部纤维和网络结构变为高度取向的结构，训练后的木质素/CNF/PVA复合水凝胶沿训练方向的拉伸强度从2 MPa增加到4.1 MPa，电导率增加到1.3 S/m，具有明显的各向异性特征（图1）。

图1

在该研究中，绿色增强填料CNF在部分酶解木质素（DEL）的辅助下与PVA网络以强氢键作用相结合，同时，DEL还可以螯合足够多的导电成分Ag⁺，使复合水凝胶具有优异的导电性能。经过类肌肉增强机理的机械训练处理后，原本无序分布的CNF和各向同性的水凝胶网络结构实现了定向排列，所构筑的高度有序结构赋予了水凝胶沿训练方向优异的机械性能和各向异性的物理性质。该研究为同时具有优异力学性能和高导电性的绿色复合水凝胶材料的设计与制备提供了有效的参考价值，同时也为生物质的高效利用提供了借鉴。

该研究成果“Anisotropic Muscle-like Conductive Composite Hydrogel Reinforced by Lignin and Cellulose Nanofibrils”近期发表在绿色可持续化学与材料期刊ACS Sustainable Chemistry & Engineering上。论文通讯作者为华南理工大学化学与化工学院生物质资源化工团队的刘伟峰研究员，第一作者为博士研究生闫梦真。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.2c02506

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