伸长率1710%！​冷冻浇注辅助溶液置换制备强韧导电有机水凝胶

柔性水凝胶在组织工程、药物输送、储能、电子柔性等领域有着广阔的应用前景。对于电子工程材料的应用，水凝胶不仅需要具有导电性，还需要具有良好的力学性能，包括高强度和高韧性。然而，大多数水凝胶的拉伸强度通常在1兆帕以下，而且很容易断裂。同时，水凝胶还需要满足进一步的要求，如宽工作温度范围、抗变形、自愈合能力等。以便在关键条件下运行。因此，制备具有多功能的强韧导电性水凝胶仍然是现有材料体系面临的挑战。高强度、高韧性和高导电性是柔性电子产品最受欢迎的特性之一。然而，现有的工程材料很难同时获得优异的力学性能和高的导电性。

为了应对这一挑战，来自新加坡国立大学的学者提出了一种简单而通用的策略，通过冷冻浇注辅助溶液置换(FASS)来制备超韧性导电有机水凝胶。这种FASS策略使有机水凝胶能够一步形成，具有精致的各向异性分层结构，以及跨多个长度尺度的协同增强和增韧等。作为一种典型材料，溶剂含量高达87wt%的聚乙烯醇有机水凝胶具有高强度(6.5MPa)、高伸长率(应变1710%)、超高韧性(58.9 mJ m−3)和高离子电导率(高达6.5 S m−1)和良好的应变敏感性。PVA有机水凝胶具有优异的机械性能和导电性，是一种很有前途的柔性电子材料。此外，FASS策略还可以赋予水凝胶多种功能，包括热愈合、耐冻性和形状恢复，并可应用于各种水凝胶材料，如羧甲基纤维素、海藻酸钠和壳聚糖。因此，这项工作为制备先进的强韧导电软材料提供了一种全面的解决方案，适用于多种应用。相关文章以“Strong and Tough Conductive Organo-Hydrogels via Freeze-Casting Assisted Solution Substitution”标题发表在Advanced Functional Materials。

图 1.A）PVA有机水凝胶（FC-EtFe）冷冻铸造辅助溶液替代（FASS）策略示意图。B）FC-EtFe沿A）水平和B）垂直方向的微观横截面的示意图和SEM图像。C）非常灵活，坚固和坚韧的有机水凝胶的光学图像，可以压缩，折叠，打结，并用于将20公斤的水桶装成一小块。

图 2.A）一次冻融水凝胶（FC-1T），B）五次重复冻融水凝胶（FC-5T），C）乙醇取代的有机水凝胶（FC-Et）和D）乙醇氯化铁溶液取代的有机水凝胶（FC-EtFe）的微观形态，包括i，ii）冷冻干燥水凝胶的SEM图像和iii）湿水凝胶的共聚焦图像。E）X射线衍射（XRD）图谱，F）差示扫描量热（DSC）曲线和G）计算水凝胶的结晶度值。

图 3.水凝胶的机械性能。A）水凝胶的拉伸应力-应变曲线（水凝胶从垂直方向拉伸，其中FC-EtFe有机水凝胶在垂直和水平方向上进行测试）。B）总结水凝胶的杨氏模量、拉伸强度、均匀应变和断裂能。C）缺口和未缺口水凝胶的剪切应力-应变曲线（缺口样品的均匀应变用符号“▼”标记）。D） 单缺口样品的插图和单缺口 FC-EtFe 样品被拉伸的照片。E）计算水凝胶的韧性。F） 分别在第1、10 800和64 800次拉伸处进行循环拉伸试验的照片。

图 4.FC-EtFe有机水凝胶的多功能特性.A）FC-EtFe有机水凝胶在拉伸，切断和热愈合时分别连接在电路中的照片。相对电阻变化 （ΔR/R0） 与沿 B） 水平和 C） 垂直方向的拉伸应变的关系。D）FC-EtFe在重复应变载荷下的相对电阻变化，通过I）拉伸，II）压缩，III）扭曲，以及IV，V）手指弯曲和VI）拳头扣合的重复人体运动的测量。

图 5.本研究中FC-EtFe PVA有机水凝胶与其他韧性导电（有机）水凝胶的比较图为A）强度与应变。B）韧性与强度。C）韧性与应变。D）电导率与韧性。

本文报道了一种冷冻铸造辅助溶液置换(FASS)的综合策略，用于层次化结构的强韧导电有机水凝胶。FASS策略同时赋予了有机水凝胶优异的力学性能和一步多功能化。与常规冻融PVA水凝胶相比，FC-ETFE有机水凝胶的弹性模量、强度、延展性、抗疲劳性均有显著提高，尤其是韧性提高了423倍以上。此外，有机水凝胶还结合了多种功能，包括高应变敏感性、可调导电性、热治性、耐冻性和形状可恢复性。这种超强、超韧的导电有机水凝胶作为柔性电子产品的关键工程材料前景看好，能够在极端条件下使用。此外，FASS策略还可以进一步应用于其他材料系统，导致在组织工程、能量存储和环境科学等领域的应用中具有强大而坚韧的机械性能和可调的多功能。

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