东北大学田野课题组 JMCA：超快热响应致动和超高导电性的多功能梯度水凝胶

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刺激响应型导电水凝胶是一类新兴的智能材料，在软体机器人、柔性传感器、智能电子和仿生设备方面都展现出了巨大的应用潜力。然而，制备兼具良好的响应致动速度和导电性能的一体化水凝胶仍然是一个巨大的挑战。潜在的主要原因有两个方面：一方面，高电导率的水凝胶通常具有相对较高的杨氏模量，而较高的杨氏模量会限制水凝胶在外界刺激下的致动速度。另一方面，少数具有类似性能的水凝胶大多为双层水凝胶，即通过主动层/致动层响应外部刺激进行致动，被动层/导电层（无刺激响应功能）进行导电，但是这类水凝胶可能存在容易界面分层的风险。因此，迫切需要开发出一种兼具杰出致动性和导电性的一体化水凝胶。

近期，东北大学医学与生物信息工程学院田野副教授团队受章鱼触角启发提出了一种基于亲水性策略，合成了具有超快热响应致动性和超高导电性的梯度水凝胶（Ag-PNIPAM）来解决这一挑战。通过将纳米银片（Ag）引入到N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）前体溶液中，疏水的纳米银片快速沉淀导致水凝胶内部出现亲水性差异。因此，亲水性NIPAM单体更容易被吸引到顶部并聚合成更致密的PNIPAM相，最终形成梯度网络结构，使Ag-PNIPAM水凝胶具有超快热响应致动性（52.3°/s）。此外，通过在热刺激下Ag-PNIPAM水凝胶体积快速收缩，导致纳米银片聚集形成导电路径，使Ag-PNIPAM水凝胶形成超高导电性（>1231 S/m）。同时，Ag-PNIPAM水凝胶还显示出在500%的宽应变下的高灵敏度（GF=14.66）和良好的抗菌性能。利用这些优异的性能，研究者首先将水凝胶组装成软致动器（抓取器和千斤顶），其中抓取器可以在8 s内抓取目标物体，并1s内快速释放。其次，将水凝胶作为可穿戴电子设备来精确检测人体运动和生理信号。最后，通过结合驱动性和导电性实现了智能电路开关。这种多功能梯度水凝胶为智能生物材料、软机器人和柔性传感器提供了前景广阔的机会。

图1. Ag-PNIPAM水凝胶的制备

图2. Ag-PNIPAM水凝胶的热致动性

 图3. Ag-PNIPAM水凝胶的导电性

 图4. Ag-PNIPAM水凝胶作为软致动器

 图5. Ag-PNIPAM水凝胶作为可穿戴电子

图6. Ag-PNIPAM水凝胶作为智能电路开关

该研究工作以“Multifunctional gradient hydrogel with ultrafast thermo-responsive actuation and ultrahigh conductivity”为题发表在国际知名学术期刊《Journal of Materials Chemistry A》（IF：14.511），作为当期亮点工作，被选为期刊内封面文章（DOI: 10.1039/d2ta05770k）。东北大学博士研究生刘赫为论文第一作者，田野副教授为论文通讯作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1039/d2ta05770k

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