本文由Tian Li、Haobo Qi、Xinyu Dong、Guanjin Li和Wei Zhai等人共同完成，研究团队来自新加坡国立大学机械工程系。该研究于2023年12月6日发表在《Advanced Materials》期刊上，题为“Highly Robust Conductive Organo-Hydrogels with Powerful Sensing Capabilities under Large Mechanical Stress”。研究的主要目标是解决导电水凝胶在复杂应力条件下机械强度不足的问题，并提出了一种新型的高性能导电有机水凝胶材料。

研究背景

导电水凝胶因其优异的拉伸性和传感能力，在可穿戴电子设备和软体机器人领域具有广泛的应用前景。然而，现有的导电水凝胶机械强度较低（通常小于1 MPa），在复杂应力条件下容易断裂，限制了其实际应用。近年来，研究人员通过构建仿生分层微结构来增强水凝胶的机械性能，但这些方法在导电水凝胶中的应用仍然有限。特别是，聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）作为一种高导电性聚合物，虽然在水凝胶中得到了广泛研究，但其脆性和低强度限制了其应用。因此，开发一种兼具高机械强度和优异传感性能的导电水凝胶成为了研究的重点。

研究方法

本研究通过自组装和拉伸训练相结合的策略，制备了一种新型的PEDOT:PSS/聚乙烯醇（PVA）分层有机水凝胶（PPS有机水凝胶）。具体步骤如下：

1. 材料制备：首先，将PEDOT:PSS和PVA均匀溶解在二甲基亚砜（DMSO）/水溶液中。随后，将混合溶液倒入模具中，通过蒸发辅助自组装形成层状微结构。在此过程中，PVA链逐层聚集，PEDOT:PSS链与PVA链对齐，形成半互穿聚合物网络。此外，随着水的蒸发，PVA和PEDOT:PSS的结晶域形成，进一步增强了水凝胶的强度和韧性。

2. 拉伸训练：通过拉伸训练进一步对齐PVA和PEDOT:PSS分子链，增强材料的机械性能。拉伸训练后的水凝胶表现出各向异性的纤维结构，显著提高了其机械性能。

3. 材料表征：通过扫描电子显微镜（SEM）、小角X射线散射（SAXS）、差示扫描量热法（DSC）和X射线衍射（XRD）等手段对材料的微观结构和结晶性进行了详细表征。结果表明，拉伸训练显著提高了材料的结晶度和机械性能。

4. 机械和传感性能测试：通过拉伸实验和电阻变化测试，评估了PPS有机水凝胶的机械强度和传感性能。结果表明，PPS有机水凝胶的拉伸强度达到54.8 MPa，韧性为153.97 MJ/m³，且具有极高的灵敏度（应变因子GF为983）。

研究结果

1. 机械性能：PPS有机水凝胶表现出优异的机械性能，拉伸强度达到54.8 MPa，韧性为153.97 MJ/m³。通过拉伸训练，材料的机械性能显著提高，且在不同应力条件下表现出良好的稳定性。

2. 传感性能：PPS有机水凝胶具有极高的灵敏度（GF为983），能够检测到1克重的物体，即使在23 MPa的拉伸强度下仍能保持稳定的传感性能。这种高灵敏度和机械强度的结合使得PPS有机水凝胶在复杂应力条件下具有广泛的应用潜力。

3. 应用展示：研究团队将PPS有机水凝胶应用于人机界面，如控制机械臂抓取物体和监测足球训练中的运动行为。实验表明，PPS有机水凝胶能够准确、快速地检测手臂和手指的运动信号，并通过无线设备实时传输数据，展示了其在可穿戴电子设备和软体机器人中的广泛应用前景。

结论

本研究通过自组装和拉伸训练相结合的策略，成功制备了一种兼具高机械强度和优异传感性能的PEDOT:PSS/PVA分层有机水凝胶。该材料在复杂应力条件下表现出卓越的机械稳定性和高灵敏度，能够检测到极小的物体重量。通过将其应用于人机界面和运动监测设备，展示了其在可穿戴电子设备和软体机器人中的广泛应用潜力。此外，本研究提出的分层结构设计策略为未来高性能水凝胶的制备提供了新的思路。

研究亮点

1. 高机械性能：PPS有机水凝胶的拉伸强度达到54.8 MPa，韧性为153.97 MJ/m³，显著优于现有的导电水凝胶材料。
2. 高灵敏度：PPS有机水凝胶的应变因子（GF）高达983，能够检测到1克重的物体，即使在高压应力下仍能保持稳定的传感性能。
3. 广泛应用：PPS有机水凝胶在人机界面和运动监测设备中的应用展示了其在可穿戴电子设备和软体机器人中的广泛应用潜力。

研究意义

本研究不仅解决了导电水凝胶在复杂应力条件下机械强度不足的问题，还为高性能水凝胶的设计和制备提供了新的思路。通过分层结构设计和自组装策略，成功实现了材料机械性能和传感性能的协同提升，为未来可穿戴电子设备和软体机器人的发展提供了重要的材料基础。