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  離子導電水凝膠因其良好的柔韌性和導電性，已廣泛應用于生物電子學、可穿戴傳感器和人機界面等領域。然而，由于水凝膠聚合物骨架上含有豐富的親水側基，傳統的離子導電水凝膠在高濕度下極易過度膨脹，從而破壞離子導電水凝膠的導電性和機械性能，使電子器件失效。因此，迫切需要制備具有良好導電性和抗溶脹性能的離子導電水凝膠。

  中國林業科學研究院林產化學工業研究所劉鶴研究團隊和南京林業大學徐徐教授研究團隊報道了一種離子導電水凝膠(Ion-C-P(AA-co-AAm)),將丙烯酸(AA)和丙烯酰胺(AAm)在含有鋅離子(Zn²⁺）和鋁離子(Al³⁺)的纖維素溶液中共聚。纖維素法分子中的?OH、Aam分子中的?NH₂及AA分子中 的?COOH形成了多重氫鍵結構（圖1）。水凝膠中的氫鍵發生斷裂并重建，最終形成相對穩定的結構，即使在長期浸泡在水中后也不會發生過度膨脹，極大提升了Ion-C-P(AA-co-AAm)水凝膠的抗溶脹性能。同時，多重氫鍵提高了水凝膠網絡結構的密度，所制備的水凝膠即使在重物壓力下也能保持良好的壓縮性能。另外，體系中存在的大量離子還提供了高導電性和防凍能力。該水凝膠可以在極端條件下保持應變敏感性和穩定性，并可以較好地監測人類運動。 

圖1 Ion-C-P(AA-co-AAm)中的多重氫鍵示意圖

圖3 Ion-C-P(AA-co-AAm)水凝膠的抗溶脹能力和力學性能(a) Ion-C-P(AA-co-AAm)分別在去離子水、Na₂SO₄溶液和PBS溶液中浸泡14天的照片；Ion-C-P(AA-co-AAm)、P(AA-co-AAm)和Ion-P(AA-co-AAm)的 (b) 溶脹比(c) 壓縮應力-應變曲線和(d)極限應力；Ion-C-P(AA-co-AAm)不同浸泡天數的(e) 壓縮應力-應變曲線(f) 楊氏模量值(g) 循環壓縮應力應變曲線；Ion-C-P(AA-co-AAm)分別浸入去離子水、Na₂SO₄溶液和PBS溶液(h) 溶脹比和(i) 楊氏模量值；(j) Ion-C-P(AA-co-AAm)與先前報道的水凝膠在機械性能和抗溶脹率方面的比較。

圖4 Ion-C-P(AA-co-AAm)的導電和抗凍性能表征(a) Ion-C-P(AA-co-AAm) 作為導體的發光LED在低溫下處于平坦、扭曲和壓縮狀態的光學圖像；不同浸泡天數Ion-C-P(AA-co-AAm)的(b) EIS曲線(c) 電導率(d) 離子電導率變化曲線；(e)不同浸泡時間的在?20℃下的EIS曲線和(f) 離子電導率；(g) Ion-C-P(AA-co-AAm)在不同溫度下浸泡14天后的離子電導率；(h) Ion-C-P(AA-co-AAm)和其他已報道的水凝膠的離子導電性。

圖5 基于Ion-C-P(AA-co-AAm)的傳感器的應用(a) Ion-C-P(AA-co-AAm)的應變依賴性電阻變化；(b) 在10%、20%和30%的固定應變下分別測量9個周期的實時響應線；(c) 透析平衡后浸泡1天的水凝膠用作應變傳感器，以感測人類手指的壓縮運動；；(d) Ion-C-P(AA-co-AAm)在30%的固定應變下測量的不同溶脹時間的實時響應曲線，每次8個循環；(e) 在30%的固定應變下，在0℃下測量不同溶脹時間的Ion-C-P(AA-co-AAm)的實時響應曲線，每次8個循環；(f) 將浸泡1、7和14天的水凝膠用作應變傳感器，以感測人類手指的壓縮運動；檢測人體運動的攝影圖像和輸出電壓信號，包括(g, h) 男孩和(i, j) 女孩。

  該團隊報道了一種基于多重氫鍵構筑的抗溶脹導電水凝膠并將其成功應用于柔性傳感器。通過離子溶液直接溶解纖維素，將其與丙烯酸、丙烯酰胺共聚物交聯形成多重氫鍵，賦予水凝膠優異的抗溶脹性、力學性能、抗凍性能以及離子導電性能，為擴展水凝膠在柔性電子領域的應用提供了新思路。

  文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.148318