背景简介近年来可穿戴式传感器、生物电子、软体机器人、医疗贴片等许多柔性设备得到了广泛的研究和发展。我们正迈入“软”科学时代，可拉伸导电材料是这些科技的基础，其中关键的挑战是设计同时具有出色机械性能和高离子电导率的材料体系。水凝胶由于其优异的柔软性、湿润性、响应性、生物相容性等优点得到了极大的关注。然而，常规的离子导电水凝胶含水，不可避免地在低温环境中冻结，失去柔性和离子电导性。为了解决这一关键问题，研究人员在凝胶中加入大量盐、离子液体、乙二醇等抗冻物质来降低冰点。在已报到的大部分研究中，抗冻组分和导电物质通常是在凝胶合成后，通过浸泡渗透到凝胶分子网络中。扩散过程十分缓慢，限制了抗冻导电凝胶的大规模和快速制造。因此，迫切需要研究新的方法来制备低温下仍具有优异力学性能的抗冻导电凝胶。加州大学洛杉矶分校贺曦敏教授和上海交通大学朱新远教授提出通过混合溶剂沉淀效应（Cononsolvency Effect）来快速制备大面积力学性能优异的水凝胶。混合溶剂沉淀效应指的是在两种良溶剂的混合溶剂中，大分子溶解度降低的现象。他们选取常见高分子聚乙烯醇，分别配置成水溶液和二甲基亚砜溶液。将两种溶液按特定比例混合后，聚乙烯醇的溶解度降低，分子链相互聚集形成氢键，数分钟中内形成凝胶。同时，水与二甲基亚砜分子之间的强相互作用使得混合溶剂具有很低的凝固点，赋予凝胶极优异的抗冻性能。
通过系统研究，他们发现，当混合溶剂中二甲基亚砜含量为60wt％时，聚乙烯醇凝胶具有最佳的力学性能，其拉伸强度为1.1MPa，韧性为10.9MJ /m3，伸长率为1500％，超过了大多数报道的抗冻凝胶。同时，凝胶也显示出最佳的防冻性能，在约-50oC的温度下仍保持不冻结。此外，导电物质例如H2SO4可以在制备溶液过程中加入，形成凝胶时，导电成分已在凝胶网络中，不需要额外添加导电物质。制得的导电凝胶在-50oC时依然保持1.65S/m的高离子电导率。利用该凝胶制备的一体化柔性超级电容器在低温下具有出色的性能，表明在极端温度下，该抗冻凝胶在柔性电子方面具有很大的应用潜力。值得提出的是，利用该方法制备的凝胶为物理交联凝胶，可被完全回收重复利用，是一种绿色环保的制备方法。
解决的主要问题：抗冻导电凝胶的快速大面积制备。
研究亮点：同时利用混合溶剂的凝胶作用和抗冻能力制备的抗冻导电凝胶，具有非常优异的力学性能和抗冻能力。在极低温下，基于该凝胶的柔性超级电容器保持优异的性能，表明该凝胶在低温柔性电子方面有巨大的应用价值。此外，利用混合溶剂沉淀效应制备的凝胶可被完全回收利用。
通讯作者|简介贺曦敏是加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系的助理教授和加州纳米体系研究所（CNSI）的成员。她在剑桥大学获得博士学位并在哈佛大学进行博士后研究。她的主要研究方向包括刺激响应性材料、仿生功能材料、化学和生物传感器、驱动器等，并将其应用于生物医药、环境、机器人和能源领域。她已经在Nature, Nature Chemistry, Science Robotics, Nature Nanotechnology, Science Advances等杂志发表了60余篇高水平论文、书籍和专利。她获得的荣誉包括Young Investigator Medal of the Society of Engineering Science (SES), 3M Non-tenured Faculty Award, CIFAR Azrieli Global Scholar, International Society of Bionic Engineering (ISBE) Outstanding Youth Award, National Science Foundation CAREER Award, Air Force Office of Scientific Research Young Investigator Program (AFOSR YIP) Award, Hellman Fellows Award, 以及UCLA Faculty Career Development Award。她关于自调制材料和化学-机械分子分离的研究获得了一系列地区和国际的奖励，并且受到了百余家新闻媒体报道。课题组网页：
http://www.seas.ucla.edu/xhe-lab/index.html
Wu, S, Alsaid, Y, Yao, B, et al. Rapid and scalable fabrication of ultra‐stretchable, anti‐freezing conductive gels by cononsolvency effect. EcoMat. 2021; 3:e12085. https://doi.org/10.1002/eom2.12085 [Physical Sciences]
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内容|EcoMat排版|Melody
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