类型a：单篇原创研究的学术报告
作者及机构
本研究的通讯作者为Xiaobo Huang和Xiaohong Yao，来自太原理工大学材料科学与工程学院（Shanxi Key Laboratory of Biomedical Metal Materials）。其他作者包括Youjie Rong、Xiaomin Zhang、Huijie Li等。研究发表于《European Polymer Journal》第221卷（2024年），文章编号113544，于2024年10月28日在线发布。
学术背景
研究领域与动机
该研究属于柔性可穿戴电子器件材料领域，聚焦于开发兼具高韧性、高弹性、环境稳定性和易加工性的光固化共晶凝胶（photocurable eutectic gel）。传统水凝胶因水分易挥发或冻结导致性能退化，而基于深共晶溶剂（Deep Eutectic Solvent, DES）的凝胶体系可解决这一问题。研究旨在通过锆离子（Zr⁴⁺）配位交联和3D打印技术，开发一种新型光固化共晶凝胶（PADE），用于柔性应变传感器和摩擦纳米发电机（TENG）电极。
关键科学问题
1. 如何通过物理交联网络（非共价键）实现凝胶的高韧性与自修复性？
2. 如何通过DES溶剂体系提升凝胶的环境稳定性（抗干燥、抗冻）？
3. 如何结合数字光处理（DLP）3D打印技术实现复杂结构的高精度制造？
研究流程与方法
1. 材料制备与表征
- 配方设计：以乙烯二醇（EG）和氯化胆碱（ChCl）为DES溶剂，加入丙烯酸（AAC）、3-二甲胺基丙基甲基丙烯酰胺磺酸盐（DMAPS）、ZrOCl₂和光引发剂TPO，通过405 nm紫外光引发聚合。
- 结构表征：
- FTIR与XPS：证实Zr⁴⁺与羧基（-COOH）和磺酸基（-SO₃⁻）的配位作用（峰位偏移：羧基1411 cm⁻¹→1415 cm⁻¹）。
- DSC：验证DES凝胶在-40℃至50℃的宽温域稳定性（无玻璃化转变），而水凝胶在0℃即冻结。
- UV-Vis：凝胶透光率>80%（400–800 nm），适合光学应用。
2. 力学性能测试
- 拉伸实验：通过调节DMAPS和Zr⁴⁺浓度优化性能。最佳配方（1.5 mol/L DMAPS + 0.18 mol/L ZrOCl₂）的断裂强度达1.14 MPa，断裂伸长率898%，杨氏模量0.4 MPa。
- 滞后性分析：小应变（10–100%）下能量耗散仅5 kJ·m⁻³，500%应变时为250 kJ·m⁻³，表明配位键的动态重构能力。
3. 粘附性能评估
- 剪切粘附实验：凝胶对金属、塑料、皮肤等基底的粘附强度>40 kPa，归因于磺酸基的氢键、偶极-偶极和静电相互作用。
- 耐久性：200次循环后粘附曲线无衰减，12小时皮肤贴附无刺激。
4. 电学性能与传感应用
- 导电性：DES赋予离子电导率（0.1 S/m，-20℃仍稳定）。
- 应变传感：灵敏度系数（GF）达1.7（0–100%应变），可监测人体关节运动（如手指弯曲）。
- TENG电极：与PDMS复合的单电极TENG输出电压13 V（6 N外力），可点亮LED。
5. DLP 3D打印
- 打印参数：层厚50 μm，单层曝光1.2秒，精度达70 μm。
- 复杂结构：成功打印雪花、骨架等模型，支撑环境稳定性（两周无变形）。
主要结果与逻辑关联
- 配位交联网络：Zr⁴⁺与聚合物链的配位作用（FTIR/XPS验证）是高韧性的核心机制，支撑后续力学和粘附测试。
- DES溶剂优势：DSC证明其抗冻/抗干燥特性，为电学性能和环境稳定性提供基础。
- 多性能协同：高韧性（1.14 MPa）与高灵敏度（GF=1.7）的结合，使凝胶兼具传感器和TENG电极功能。
- 3D打印可行性：快速光固化（1.2秒/层）与高精度（70 μm）验证了工业化应用潜力。
结论与价值
科学价值
- 提出了一种全物理交联（非共价键）的共晶凝胶设计策略，通过Zr⁴⁺配位和DES溶剂实现“强度-延展性-环境稳定性”的平衡。
- 揭示了磺酸基团在粘附性和导电性中的双重作用机制。
应用价值
- 柔性电子：可定制化3D打印传感器和TENG电极，适用于人机交互和自供电设备。
- 生物相容性：无溶剂泄漏、皮肤无刺激，适合长期可穿戴设备。
研究亮点
- 材料创新：首次将Zr⁴⁺配位交联与DES溶剂结合，攻克了凝胶环境稳定性难题。
- 工艺突破：DLP 3D打印实现高精度复杂结构，成型速度（1.2秒/层）远超传统挤出打印。
- 多功能集成：单一材料同时满足力学、粘附、导电、传感需求，简化了柔性器件制造流程。
其他价值
- 低成本原料（DES替代离子液体）和可扩展生产为商业化铺平道路。
- 附录数据（在线补充材料）提供了详细的配方参数和打印代码，便于复现研究。
（注：文中专业术语如“深共晶溶剂（DES）”“数字光处理（DLP）”等首次出现时标注英文，后续直接使用中文术语。）