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  導(dǎo)電水凝膠由于其獨(dú)特的柔韌性、可拉伸性、電子/離子電導(dǎo)率和生物相容性的優(yōu)勢(shì)，在生物電子學(xué)、軟體機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。然而，目前制備的導(dǎo)電水凝膠，無(wú)論是離子導(dǎo)電水凝膠還是添加導(dǎo)電粒子的導(dǎo)電復(fù)合水凝膠，普遍存在電導(dǎo)率不高（通常都低于10 S/m）和電導(dǎo)率隨水凝膠形變波動(dòng)大的問(wèn)題，限制了導(dǎo)電水凝膠材料在很多領(lǐng)域的應(yīng)用，比如電磁屏蔽，電加熱和儲(chǔ)能等方面。另一方面，除了高電導(dǎo)率外，在很多應(yīng)用場(chǎng)合都要求水凝膠材料具有高的拉伸強(qiáng)度和模量。然而，傳統(tǒng)方法制備的均質(zhì)水凝膠材料很難兼具超高的電導(dǎo)率和高的力學(xué)性能。

  針對(duì)以上問(wèn)題，葉長(zhǎng)懷教授/朱美芳院士團(tuán)隊(duì)通過(guò)靜電紡絲和真空輔助抽濾方法制備了兼具超高電導(dǎo)率和高力學(xué)強(qiáng)度的三明治結(jié)構(gòu)ANF-PVA/AgNWs導(dǎo)電水凝膠雜化材料。靜電紡絲得到的芳綸納米纖維增強(qiáng)的聚乙烯醇水凝膠層（ANF-PVA）為三明治結(jié)構(gòu)水凝膠提供高的力學(xué)性能，通過(guò)真空輔助抽濾在納米多孔纖維氈上沉積的銀納米線/PVA層為水凝膠提供超高的電導(dǎo)率。

圖1. (a) ANF 增強(qiáng) PVA 水凝膠和具有三明治結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電雜化水凝膠的制造過(guò)程示意圖。(b) ANF 增強(qiáng) PVA 水凝膠中分子間相互作用的示意圖。(c, d) 靜電紡絲法制備的 ANF-PVA 纖維氈的圖片和 SEM 顯微圖片； (e, f) 通過(guò)在 ANF-PVA 纖維氈上真空輔助過(guò)濾 AgNWs/PVA 制備的導(dǎo)電雜化水凝膠；(g, h) 三明治結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電水凝膠

  基于靜電紡絲纖維氈的多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及ANF和PVA之間強(qiáng)的氫鍵相互作用，制備的ANF-PVA雜化水凝膠具有高達(dá)10.7-15.4 MPa的彈性模量，3.3-5.5 MPa的拉伸強(qiáng)度以及5.7 kJ m^-2的斷裂能。由于AgNWs/PVA層與ANF-PVA層之間具有優(yōu)異的界面粘結(jié)強(qiáng)度，所制備的三明治結(jié)構(gòu)ANF-PVA/AgNWs導(dǎo)電雜化水凝膠的力學(xué)性能可以達(dá)到ANF-PVA水凝膠相近的力學(xué)性能，其彈性模量達(dá)到11 MPa，拉伸強(qiáng)度3.3 MPa和5.4 kJ m^-2的斷裂能。

圖2. (a) 拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b) 拉伸強(qiáng)度，彈性模量；(c) 具有不同 ANF 含量的 ANF 增強(qiáng) PVA 水凝膠以及具有 0.23 vol% AgNWs 的三明治結(jié)構(gòu) ANF1.96%-PVA/AgNWs 復(fù)合水凝膠的斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂能

  ANF-PVA/AgNWs導(dǎo)電雜化水凝膠除了具有優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度，還具有高達(dá)1.66×10⁴ S m^-1的表觀電導(dǎo)率。更重要的是，在0-90%的拉伸應(yīng)變下，水凝膠具有不隨應(yīng)變變化的穩(wěn)定的電導(dǎo)率，在對(duì)水凝膠循環(huán)拉伸-釋放500次后，只僅僅有±10%的電阻波動(dòng)。穩(wěn)定的電導(dǎo)率主要?dú)w因于彈性 PVA 水凝膠包裹的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電 AgNWs以及 ANF-PVA 和 AgNWs-PVA 層之間的高粘合強(qiáng)度。在受到外力拉伸時(shí)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)只是發(fā)生輕微的變形并且表面沒(méi)有發(fā)生大的滑移和裂紋。因此沿著AgNWs網(wǎng)絡(luò)方向的電子傳輸路徑和長(zhǎng)度幾乎沒(méi)有變化, 從而導(dǎo)電雜化水凝膠的導(dǎo)電性基本不受拉伸應(yīng)變的影響。基于三明治結(jié)構(gòu)水凝膠超高和穩(wěn)定的電導(dǎo)率，他們展示了水凝膠材料在小電壓驅(qū)動(dòng)加熱和電磁屏蔽方面的潛在應(yīng)用。

圖3. (a) 和 (b) 具有 不同AgNWs含量的導(dǎo)電ANF-PVA/AgNWs水凝膠的方塊電阻和表觀電導(dǎo)率；(c) 具有AgNWs體積分?jǐn)?shù)0.23%的ANF-PVA/AgNWs水凝膠拉伸應(yīng)變-電阻值；(d) 拉伸應(yīng)變?cè)O(shè)置在15%條件下，循環(huán)拉伸-恢復(fù)的電阻變化；(e) 折疊角度180°下的循環(huán)折疊-恢復(fù)的電阻變化；(f) 水凝膠拉伸強(qiáng)度和電導(dǎo)率的比較；(g) 拉伸、彎曲和扭曲條件下導(dǎo)電ANF-PVA/AgNWs水凝膠作為導(dǎo)體點(diǎn)亮LED燈泡的圖片；(h) 雜化水凝膠拉伸前后通過(guò)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀導(dǎo)電AgNWs網(wǎng)絡(luò)和電子傳輸路徑示意圖

圖4. (a) 通過(guò)施加不同的電壓ANF-PVA/AgNWs水凝膠的焦耳-加熱性能；(b)， (c) 和 (d) 0 V，1 V和1.5 V 條件下的水凝膠的紅外熱成像圖片；(e) ANF-PVA/AgNWs 水凝膠作為電致變色材料的應(yīng)用演示

圖5. (a) 在X波段下的電磁屏蔽性能；(b) ANF-PVA/AgNWs水凝膠 SET，SER和SEA的比較；(c) 導(dǎo)電ANF-PVA/AgNWs 水凝膠用于無(wú)線模塊電磁屏蔽的應(yīng)用實(shí)例展示

  相信這次工作開發(fā)了一種新穎的策略去制備具有高機(jī)械性能和超高電導(dǎo)率的可拉伸水凝膠，本次工作對(duì)于拓展水凝膠在柔性生物電子和軟體機(jī)器人的應(yīng)用具有巨大的潛力。

  該研究以“Mechanically Strong and Multifunctional Hybrid Hydrogels with Ultrahigh Electrical Conductivity”為標(biāo)題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。論文的第一作者為東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生周慶亞，共同通訊作者為東華大學(xué)葉長(zhǎng)懷教授和朱美芳院士，東華大學(xué)孫賓教授和南密西西比大學(xué)強(qiáng)哲教授為論文的共同作者。

  論文鏈接：

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

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