从怀萍/俞书宏《Nature Synthesis》高压缩、环境适应导电水凝胶
导电水凝胶具有高弹性、抗疲劳和环境适应性，是可穿戴电子、生物电子和软机器人等领域有前途的材料。然而，这些材料的开发具有挑战性，特别是在包括有机溶剂和极端温度在内的恶劣环境中使用。在这里，我们报道了一种简单的方法，通过自组装和两级原位聚合过程，制备具有钢筋混凝土型成分和高弯曲度互联细胞结构的高压缩性和抗疲劳导电水凝胶。所得复合材料在空气和水中循环加载时，在50%应变下表现出优异的机械压缩性，残余应变可忽略不计。由于结构对拉伸变形的各向异性响应与弹性恢复相结合，水凝胶被赋予了可区分传感器表面运动方向和速度的传感尺寸。此外，通过与亲油聚合物网络互渗，开发出高弹性和适应性的有机水凝胶，在多种有机溶剂和低温下都具有出色的传感性能。因此，这些材料可能适合在恶劣环境下的柔性和可穿戴设备中使用。
图文简介
图1 | CCAP水凝胶的制备。a、采用定向冷冻组合和两段原位聚合工艺制备CCAP水凝胶示意图，即−18℃低温聚合12 h，然后室温聚合2 h。分别使用AM、MBAA和TEMED作为单体、交联剂和催化剂。b，低温聚合过程中结构变化示意图。在阶段1中，由于AgNW表面周围紧密和松散结合的水的相变导致不均匀的张力，使室壁中局域的AgNW网络发生变形。通过同时进行原位聚合，在阶段2.c产生了多孔结构。在室温下进一步聚合时，大量冰的融化诱导邻近的片层生长在一起，形成了一个相互连接的高弯曲度网络。
图2 |结构特征。a-f, CCAP水凝胶不同倍率的扫描电镜图像:俯视图(a-c);侧面(d-f)。g，水凝胶的元素映射。h，低温拉曼光谱显示了制备CCAP水凝胶的前驱体溶液中冰(红色和绿色线)和束缚水(蓝色和明亮的蓝色线)的拟合峰，记录在−18℃。i，制备CCAP水凝胶的前驱体溶液的调温DSC扫描(黑线)，加热速率为5 K min−1。红线表示热流的可逆部分。星号表示结合水(267.8 K)和冰(274.5 K)的熔点。
a，循环压缩下的压缩应力-应变曲线。照片显示了500次压缩循环前后的水凝胶。b，在高达50%应变下的应力-应变曲线可达3 × 104次循环，在高达15%应变下的应力-应变曲线可达105次循环。c, CCAP水凝胶的膨胀率随时间变化，随高度和直径变化。d，显示CCAP、DF-PAM和Ag/PAM水凝胶在水中膨胀10天后重量为5 g的照片。e，水中不同压缩应变下的加卸载应力应变曲线。f，应力-应变曲线，在高达50%应变，最多5 × 104循环，在15%应变，最多5 × 105循环水中。g，能量损失系数，最大应力和残余应变在水中50%应变5 × 104循环。h，阿什比图，显示CCAP水凝胶与之前报道的材料相比，在长期压缩周期中残余应变与压缩应变。周期号标记在括号中引用的符号旁边。红色、绿色、蓝色、粉色和黄色空心钻石分别代表使用石墨烯14,15,17、碳纳米管8,23,25、碳纳米纤维19,20、两种碳材料29,30,31和有机衍生物种9,26作为积木的弹性材料。紫色的固体钻石代表水中的压缩。蓝色区域中的红色和绿色球体分别代表压缩在空气和水中的CCAP水凝胶。i，具有相互连接的层状网络和抗压缩力(F)的多孔细胞壁的CCAP水凝胶示意图。j，三个可恢复元素的能量耗散机制示意图:(1)纳米尺度AgNW网络的可逆弹性弯曲(F’1)，(2)微观尺度多孔结构的可逆径向缓冲(F’2)和(3)宏观尺度相互连接的AgNW/PAM网络的全局弛缓(F’3)。
a, CCAP水凝胶的归一化阻力随空气和水中压力的变化(ΔR/R0)。b， ΔR/R0在空气中不同应变的5个压缩周期。c， ΔR/R0在50%应变下在空气中压缩1000个循环。d, x方向滑动运动下的累积变形和结构恢复示意图。Δl和Δh分别为滑动过程中的瞬时拉伸变形和压缩变形。e，压水凝胶时阻力随x方向累积拉伸应变和压缩变形的变化示意图。选择位置1和2来显示挤压前后的结构演变。L和h是位置1的横向和纵向尺寸。f,g， ΔR/R0响应在CCAP表面上以不同的速度在x (f)和y (g)方向上滑动。绿色和蓝色的虚线表示水凝胶表面运动的开始和结束。h， ΔR/R0当用玻璃棒将CCAP表面压到不同深度时。i， ΔR/R0与水中循环压缩应变的关系。j， ΔR/R0，响应手指在水中不同弯曲角度下的弯曲和放松循环。插入的图像显示了手指在水中运动的监测。k， ΔR/R0响应手指在水中逐渐弯曲从0°到90°和放松到0°。
a，将CCAP水凝胶浸泡在含有BMA、LMA、EGDMA和DEAP的乙醇溶液中，然后进行紫外诱导聚合，合成具有互穿亲油亲水网络的有机水凝胶示意图。b、有机水凝胶在水和疏水有机溶剂中的自适应机理示意图。在水中，膨胀的亲水聚合物链暴露在凝胶表面。在有机溶剂中，亲油链在表面被打开。c,d，循环压缩下水(c)和正庚烷(d)中的压缩应力-应变曲线。照片显示的是释放压缩后回收的有机水凝胶。e，在水和不同疏水有机溶剂中压缩1000次循环后的最大应力保留。f，有机水凝胶的归一化电阻随正庚烷中压力的变化(ΔR/R0)。g， ΔR/R0在n-庚烷在不同应变的9个压缩循环。h， ΔR/R0在50%应变的正庚烷中压缩100个循环。i，−50°C下100次压缩循环的应力-应变曲线。插入的照片显示有机水凝胶经过压缩后有很好的回收率。j， ΔR/R0在−50°C下50%应变的100个压缩循环。k,l，在正庚烷(k)和液氮(l)中压缩有机水凝胶时灯泡变亮的照片。
论文信息
论文题目：Highly compressible and environmentally adaptive conductors with high-tortuosity interconnected cellular architecture