水凝胶女神贺曦敏Matter：无需集流体！高导电性水凝胶电极

第一作者：Bowen Yao

通讯作者：贺曦敏

通讯单位：UCLA

背景介绍

生物体内的电信号传递通常以离子作为载体，而电子电气设备则通过电子传递信号。这样一种差异使得人机交互界面在信号传递时发生分歧。为解决这一因传输载体带来的差异，离子电子学和生物电子学得以发生交叉，一种新的电离电子器件被广泛研究。

电离电子器件通常采用惰性金属作为电极，转移电子和离子信号。然而，它们有几个问题，包括：（1）电极/电解质界面上的阻抗高且不稳定，导致低频信号（<100 Hz）损失和失真，而电生理信号，如神经局部场电位，频率通常 <100 Hz，（2）由于低频下的高阻抗，电极/电解质界面上的高压降，导致电化学反应。解决此问题的一种策略是在电极中引入法拉第过程（例如，Ag/AgCl），电化学反应电流通过该过程。然而，这具有界面稳定性低、电极电位可变和长期植入的潜在毒性。

采用电化学反应的替代方法是用导电多孔材料（例如多孔碳材料）修饰惰性金属电极。随着双电层（EDL）电容的增加，界面阻抗降低。尽管EDL电容材料已经大量开发以追求能量存储应用的最大电荷存储能力，但其机械强度和导电性受到严重损害，这对生物电子学和电离电子学的界面稳定性和鲁棒性不利。

电容、电导率和机械性能之间的内在冲突严重限制了电极材料的分子设计，因为大电容需要高孔隙率，这不可避免地会损害电导通路和结构完整性。此外，由于电子材料和生物体之间的机械不匹配，刚性惰性金属作为集流体会在植入部位诱导不良免疫反应。

本文要点

该工作通过表面凝胶结合二次掺杂和部分致密化的方法，设计了一种具有相互连接的纳米孔和密集孔壁的聚合物网络结构，这种高度定向的排列是将高机械强度和高导电性与电容相结合的电极材料的理想结构，基于此策略设计的导电聚合物（CP）水凝胶具有超强的拉伸强度（高达∼30 MPa），高导电性（高达∼1,200 S /cm），因此能够用作独立电极来转换离子电子信号，而无需涉及金属集流体。

图文解析

要点：

1.      图1展示了离子电子学原理图和导电聚合物（CP）水凝胶的制备。

要点：

1.      图2测试了水凝胶的机械性能和电气性能。

要点：

1.      图3测试了该水凝胶电极的辅助离子电子学的电性能。

要点：

1.      图4演示了CPIT的应用和效果。

要点：

1.      图5验证了该水凝胶的生物相容性并作心脏电极演示。

每日一句

Electron-ion transduction is the cornerstone for promoting emerging ionotronic devices, ranging from basic electronic elements to bioelectronics. However, with commonly used metal electrodes, the electron-ion transduction suffers from high impedance, signal distortion, and poor voltage tolerance. Conductive porous electrodes could partially remedy these issues but are accompanied by mechanical weakness. Herein, a general strategy is discovered to ameliorate these issues by introducing a conducting polymer hydrogel electrode of ultrahigh strength and conductivity with a capacitive behavior. These features are derived from a nanoporous conductive matrix that has π-π interactions as both cross-linking sites and electron-transfer pathways and is formed through surface gelation coupled with chemical treatment and controlled densification.

个人认为，这篇文章的introduction写的非常好，因为这篇文章做的不仅仅是一个水凝胶电极，而是一个不需要集流体的电极，很多人初读的时候没理解二者之间的差异，intro把这其中的难点和要点解释的非常清楚，值得一读。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.09.004