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湖南工業大學經鑫教授課題組 AFM：高韌性、抗溶脹各向異性導電水凝膠

2024-08-27 來源：高分子科技

傳統的水凝膠通常結構無序且交聯松散，這導致其機械性能不盡如人意，嚴重阻礙了其實際應用。近年來，受生物體組織結構的啟發，研究人員采用定向冷凍、電磁場誘導等方式在水凝膠內部成功構造了各向異性結構來制備強韌的水凝膠，但往往存在操作復雜且功能單一的問題。此外，水凝膠存在的溶脹問題極大限制了其在水下傳感中的應用。

為了解決上述問題，湖南工業大學經鑫教授課題組通過將預拉伸工藝、高價金屬離子配位交聯及引入熒光碳點進行有機結合，研制了一種超高韌性、熒光性能優異的聚丙烯酰胺/海藻酸鈉/鋯離子/碳點(PAM/SA/Zr⁴⁺/CDs, PSZC)水凝膠 (圖1)。該水凝膠內部致密的網絡結構賦予了其優異的力學和抗溶脹性能，可用于水下傳感應用。此外，各向異性網絡中的海藻酸鈉為碳點提供了豐富的鍵合位點，使得制備的水凝膠具有熒光特性，可用于視覺傳感應用。該工作以“Mechanically Robust and Anti-Swelling Anisotropic Conductive Hydrogel with Fluorescence for Multifunctional Sensing”為題發表在《Advanced Functional Materials》上(adfm.202410698)。

圖1. 各向異性 PSZC 水凝膠的制備和應用示意圖

通過結合SEM，FTIR，二維XRD等表征結果，驗證了拉伸定向和Zr⁴⁺的錨定賦予了PSZC水凝膠各向異性且致密的網絡結構（圖2）。

圖2. PSZC 水凝膠的表征

水凝膠優異的取向結構使得其有助于在拉伸方向上實現快速的應力傳遞，這使得水凝膠無論是在小應變（100%）還是大應變下（300%）都具有較低的能量耗散和快速回復能力。此外，各向異性的網絡結構賦予了水凝膠抵御裂紋擴展的能力，在重復拉伸1000次后裂紋仍舊沒有明顯擴展，表明水凝膠具有卓越的穩定性和可靠性（圖3）。

圖3. PSZC 水凝膠的回復能力和抗裂紋擴展能力

負載的碳點賦予了PSZC水凝膠優異的熒光性能，使其無論在扭曲還是拉伸狀態下都保持較好的熒光特性。另外，水凝膠的熒光亮度和電阻變化之間具有較好的線性相關度（R2=0.968）。因此，通過亮度估算水凝膠的電阻變化情況從而實現潛在的視覺傳感，賦予了水凝膠多功能的傳感能力（圖4）。

圖4. PSZC 水凝膠的光學行為

PSZC致密的網絡結構還賦予了其優異的抗溶脹能力。這使得該水凝膠可以在水下長期使用而不受溶脹影響（在水中30天的溶脹率為1.7%）。將PSZC水凝膠貼附于模型魚上，可以實時監測模型魚的前進方向和運動速率。這些實驗結果顯示了 PSZC 水凝膠在水下傳感中的廣闊前景，使其適用于監測各種生物和水下設備的運動軌跡（圖5）。

圖5. PSZC 水凝膠在水下傳感中的應用

湖南工業大學包裝與材料工程學院碩士研究生張垚勛為本文第一作者，湖南工業大學包裝與材料工程學院經鑫教授和鄭州大學橡塑模具國家工程中心的米皓陽教授為本文的共同通訊作者。該工作得到了湖南省自然科學基金等項目的支持。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202410698

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（責任編輯：xu）

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