可聚合低共熔溶剂基凝胶：兼具可回收性与自修复性的低温可穿戴传感材料研究

作者及发表信息
本研究由西安交通大学化学学院的Yinzhou Guo、Yuanyuan Chen等共同完成，通讯作者为Yanfeng Zhang教授。研究成果发表于《Chinese Chemical Letters》（2025年），DOI号为10.1016/j.cclet.2025.112122。

学术背景
柔性可穿戴传感器在软体机器人、健康监测等领域需求迫切，但其核心材料需兼顾导电性、延展性及低温稳定性。传统水凝胶易脱水冻结，离子凝胶则面临泄漏、高成本及不可回收等问题。深共熔溶剂（Deep Eutectic Solvents, DESs）作为绿色溶剂，具有低毒、低成本优势，但其凝胶材料在机械强度与可回收性间存在矛盾。本研究旨在开发一种基于天然硫辛酸（lipoic acid, LA）和咪唑衍生物的可聚合深共熔溶剂（polymerizable DES, PDES）凝胶，通过动态共价键与配位键协同作用，实现高拉伸性、自修复性和低温导电性。

研究流程

1. 材料设计与合成

   • PDES制备：以LA为氢键供体（HBD）、咪唑衍生物（ID）为氢键受体（HBA），通过乙醇溶解后旋蒸去除溶剂，加热形成动态深共熔溶剂（dDES）。
     
   • 凝胶交联：引入聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和锆离子（Zr⁴⁺），通过LA的开环聚合与Zr⁴⁺配位形成动态网络。凝胶命名为PDDEGx-y（x为LA/ID摩尔比，y为Zr⁴⁺浓度）。
     

2. 结构表征

   • 光谱分析：傅里叶红外光谱（FT-IR）证实C=C键消失（1635 cm⁻¹），拉曼光谱显示硫辛酸S-S键分裂（508/525 cm⁻¹），表明LA成功聚合。
     
   • 热性能：差示扫描量热法（DSC）显示LA熔点（58°C）消失，热重分析（TGA）表明凝胶分解温度达319°C，优于单体。
     

3. 性能测试

   • 机械性能：通过拉伸试验评估不同LA/ID比（1.5–2.5）和Zr⁴⁺含量（0–1 wt%）的影响。最优配比PDDEG2.5-0.05的断裂应力达45.6 kPa，断裂伸长率600%，模量33.8 kPa。
     
   • 自修复与回收：100°C加热3分钟可实现切口修复，120°C熔融后可重塑为不同形状（如花朵、心形），力学性能保留率>85%。
     
   • 低温性能：-20°C下凝胶仍保持柔性（断裂伸长率360.1%），电导率5.0×10⁻⁶ S/cm，可稳定监测手指弯曲（0–120°角）。
     

4. 应用验证

   • 传感测试：室温下灵敏度（GF）达0.995（100–200%应变），响应时间0.4秒，300次循环后信号稳定性>85%。
     
   • 多场景监测：成功检测关节运动（腕部、肘部）、面部表情（张嘴）及发音（“cool”声带振动）。
     

主要结果与逻辑关联
1. 动态网络设计：LA的羧基与Zr⁴⁺配位形成可逆交联，赋予凝胶自修复性；咪唑基团提升离子电导率（2.7×10⁻⁵ S/cm）。
2. 低温适应性：DES基质抑制结晶，使凝胶在-40°C下仍可弯曲，电导率损失仅1个数量级。
3. 协同增强机制：氢键与配位键的协同作用优化了能量耗散，使韧性达161.7 kJ/m³（LA/ID=2.0）。

结论与价值
1. 科学价值：提出“可聚合DES”新概念，通过动态键合解决凝胶材料强度-可回收性矛盾。
2. 应用价值：为极端环境（如极地、航天）可穿戴设备提供可持续材料方案，兼具溶剂再加工、快速自修复和低温稳定性。

研究亮点
1. 创新材料体系：首次将LA与咪唑衍生物结合为PDES，兼具生物相容性与高离子迁移率。
2. 多功能集成：单一材料同时实现传感、自修复、可回收及低温耐受。
3. 绿色工艺：全流程无需有机溶剂，符合绿色化学原则。

其他发现
- 强粘附性：对玻璃、皮肤等基材粘附强度达48 kPa，可用于紧急密封（如管道修补）。
- 跨学科潜力：动态化学设计可拓展至柔性电池、软体机器人等领域。

（注：全文基于原文实验数据及分析，未添加主观推断。）