本文由Xinyu Dong、Xiao Guo、Quyang Liu、Yijing Zhao、Haobo Qi和Wei Zhai等作者共同完成，研究团队来自新加坡国立大学机械工程系。该研究于2022年发表在《Advanced Functional Materials》期刊上，题为《Strong and Tough Conductive Organo-Hydrogels via Freeze-Casting Assisted Solution Substitution》。研究的主要目标是开发一种兼具高强度、高韧性和高导电性的柔性电子材料，以解决现有工程材料在机械性能和导电性之间难以平衡的问题。

研究背景

柔性水凝胶在组织工程、药物输送、能量存储和柔性电子等领域具有广泛的应用前景。然而，现有的水凝胶材料在机械性能和导电性方面往往难以兼顾。传统水凝胶的拉伸强度通常低于1 MPa，且易断裂。此外，水凝胶还需要具备宽工作温度范围、抗变形能力和自修复能力等特性，以应对极端条件下的应用需求。近年来，研究人员在微观、亚微观和纳米尺度上对水凝胶的增强和增韧进行了大量研究，但仍存在诸多挑战。例如，冷冻铸造（freeze casting）虽然能够形成各向异性的微观结构，但聚合物的交联程度有限；乙醇浸泡虽然能够诱导疏水聚集，但会导致水凝胶外层快速失水，阻碍乙醇进一步渗透。

研究方法

本研究提出了一种冷冻铸造辅助溶液置换（Freeze-Casting Assisted Solution Substitution, FASS）策略，用于制备强韧导电的有机水凝胶。该策略通过将冷冻铸造的聚合物块浸入离子掺杂的有机溶液中，一步形成具有分层各向异性结构的有机水凝胶。以聚乙烯醇（PVA）有机水凝胶为例，研究团队将10 wt%的PVA水溶液注入特氟龙模具中，并在-80°C的冷基板上冷冻，形成垂直温度梯度下的冰柱。随后，将冷冻的PVA块浸入预冷的含2 wt%氯化铁的乙醇溶液中，并在-10°C下保存三天，完成溶液置换过程。在此过程中，冰相在乙醇溶液中溶解而非融化，稳定了水凝胶的微观形态。同时，PVA分子链之间的氢键和铁离子的配位反应进一步增强了水凝胶的结晶度和机械性能。

研究结果

通过FASS策略制备的PVA有机水凝胶（FC-ETFe）表现出优异的机械性能和导电性。其拉伸强度达到6.5 MPa，拉伸应变高达1710%，韧性达到58.9 MJ m⁻³，离子电导率高达6.5 S m⁻¹。此外，FC-ETFe还表现出良好的应变敏感性、热修复能力、耐冻性和形状恢复能力。研究团队通过扫描电子显微镜（SEM）和共聚焦显微镜观察了水凝胶的微观结构，发现FC-ETFe具有各向异性的蜂窝状结构，纤维束排列整齐，分子链高度交联。X射线衍射（XRD）和差示扫描量热法（DSC）分析表明，FC-ETFe的结晶度高达13.52 wt%，远高于传统冷冻-解冻法制备的水凝胶。

结论与意义

本研究提出的FASS策略为制备强韧导电的柔性电子材料提供了一种全新的解决方案。通过冷冻铸造和溶液置换的协同作用，FC-ETFe有机水凝胶在机械性能、导电性和多功能性方面表现出色，具有广泛的应用前景。该策略还可以扩展到其他聚合物基质，如羧甲基纤维素、海藻酸钠和壳聚糖，用于制备具有优异机械性能和多功能性的水凝胶。

研究亮点

1. 创新的制备策略：FASS策略通过一步法实现了有机水凝胶的分层各向异性结构，显著提升了材料的机械性能和导电性。
2. 优异的机械性能：FC-ETFe有机水凝胶表现出极高的拉伸强度、韧性和疲劳抗性，适用于极端条件下的应用。
3. 多功能性：该材料不仅具有高导电性和应变敏感性，还具备热修复、耐冻和形状恢复等特性，适用于多种柔性电子设备。
4. 广泛的应用前景：FASS策略可应用于多种聚合物基质，为组织工程、能量存储和环境科学等领域提供了新的材料选择。

本研究通过创新的FASS策略成功制备了强韧导电的有机水凝胶，为柔性电子材料的发展提供了重要的理论和实践基础。