導電水凝膠，尤其是PEDOTs基導電水凝膠，兼具優(yōu)異的拉伸性、導電性和可加工性，在柔性電子、生物醫(yī)學工程和能源設備等領域受到廣泛關注。近年來，研究者通過不斷優(yōu)化PEDOTs基導電水凝膠的材料設計和制造技術，不僅實現了材料綜合性能的穩(wěn)步提升，還實現了與3D打印、光刻等先進制造技術的深度融合，從而推進了PEDOTs基導電水凝膠在復雜場景中的應用。盡管如此，當前PEDOTs基導電水凝膠的發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如性能仍需進一步提升、制造技術精度不足、復雜系統功能集成難以實現等問題，嚴重限制了其實際應用及商業(yè)化推廣。因此，系統總結PEDOTs基導電水凝膠在材料設計、制造技術及跨學科應用中的最新進展，對于推動這一領域的研究具有重要意義。

鑒于此，近日， 江西科技師范大學盧寶陽教授、韓國科學技術院Hyunwoo Yuk教授等人在 Advanced Materials期刊上發(fā)表了題為“PEDOTs-Based Conductive Hydrogels: Design, Fabrications, and Applications”的綜述文章， 系統回顧了PEDOTs基導電水凝膠的研究現狀，從材料設計、制造技術和應用開發(fā)三個層面出發(fā)，重點聚焦PEDOTs基導電水凝膠材料跨尺度設計機理與性能評估、制備技術演化與制造策略以及在生物電子學、軟驅動器、能源設備和太陽能蒸發(fā)器等不同領域中的應用，并討論了PEDOTs基導電水凝膠在高性能材料、先進制備技術和系統集成方面存在的機遇與挑戰(zhàn)，旨在推進PEDOTs基導電水凝膠進步與應用發(fā)展。

圖1 近十年PEDOTs基導電水凝膠的發(fā)展史

圖2 PEDOTs基導電水凝膠的設計策略、制造工藝及應用。

PEDOTs基導電水凝膠設計策略

高性能PEDOTs基導電水凝膠需要合理設計以滿足應用需求。典型的設計策略包括分子工程（分子結構設計）、網絡工程（鏈-鏈相互作用）、跨尺度相工程（從納米、微米到毫米尺度）以及結構工程（微觀形態(tài)調控）等。這些策略借助分子、網絡、相結構之間的相互作用，設計制備了高性能PEDOTs基導電水凝膠。在本節(jié)中，他們簡要總結了各種高性能PEDOTs基導電水凝膠的設計策略，并討論了相應的設計原則及內部機理。

圖3 PEDOTs基導電水凝膠的分子工程設計策略

圖4 PEDOTs基導電水凝膠的網絡工程設計策略

圖5 PEDOTs基導電水凝膠相工程設計策略

圖6 PEDOTs基導電水凝膠結構工程設計策略

PEDOTs基導電水凝膠制備方式

PEDOTs基導電水凝膠因其高度可控的結構設計在實現特定功能需求下具有深遠的應用潛力。本節(jié)回顧并分析了了PEDOT基導電水凝膠的二維（2D）和三維（3D）制備技術，涵蓋旋涂、濕法紡絲、噴墨打印（IJP）、墨水直寫（DIW）以及數字光處理（DLP）的原理特點、技術演變及發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖7 PEDOTs基導電水凝膠制備技術

PEDOTs基導電水凝膠應用

通過對材料設計、結構和制備方法的系統優(yōu)化，PEDOTs基導電水凝膠在廣泛的應用領域中展現出顯著優(yōu)勢。在本節(jié)中，總結并分析了其在生物電子、軟驅動器及能源器件等應用中的關鍵問題、發(fā)展現狀及技術優(yōu)勢。

圖8 PEDOTs基導電水凝膠生物電子應用

圖9 PEDOTs基導電水凝膠軟驅動器

圖10 PEDOTs基導電水凝膠能源器件及系統應用

圖11 PEDOTs基導電水凝膠太陽能水凈化

未來展望

PEDOTs基導電水凝膠因其具備導電性、機械柔韌性和親水性等多功能集成的特點，在柔性電子、生物醫(yī)學診療、智能可穿戴設備及能源等領域展現了顯著優(yōu)勢，然而機遇與挑戰(zhàn)并存。高性能PEDOTs基導電水凝膠的研發(fā)不僅推動了材料制造原理的創(chuàng)新，還促進了功能的自主集成，實現了材料在復雜應用場景中的潛力最大化。同時，先進制造技術為PEDOTs基導電水凝膠的結構設計提供了更大的自由度，使其能夠滿足多任務導向的應用需求。這些技術的結合，不僅為水凝膠材料的發(fā)展開辟了新路徑，還為可靠系統集成的突破與廣泛應用奠定了基礎。在本節(jié)中，從高性能PEDOTs水凝膠設計、先進制造技術和系統集成三個方面對未來方向及前瞻應用進行了討論與展望。

圖12 PEDOTs基導電水凝膠的未來發(fā)展方向

江西科技師范大學 李海博士、上海交通大學博士生 曹杰為論文共同第一作者，江西科技師范大學 盧寶陽教授和韓國科學技術院 Hyunwoo Yuk教授為論文共同通訊作者，參與作者還有斯坦福大學Vivian Rachel Feig教授、萊斯大學Christina M. Tringides教授、東華理工大學徐景坤教授以及江西科技師范大學碩士生萬榮泰。該論文得到國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金項目、江西省重點研發(fā)計劃項目等項目的資助。

論文信息：

Hai Li, Jie Cao, Rongtai Wan, Vivian Rachel Feig, Christina M. Tringides, Jingkun Xu, Hyunwoo Yuk, Baoyang Lu. PEDOTs-Based Conductive Hydrogels: Design, Fabrications, and Applications, Advanced Materials, 2024, 2415151.

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202415151

作者簡介:

李海，博士、江西科技師范大學柔性電子創(chuàng)新研究院副教授（校聘）。主要從事導電水凝膠制備及柔性電子應用。近五年以第一或通訊作者在Adv. Mater.、Nano Energy等期刊上發(fā)表SCI論文10余篇。

Hyunwoo Yuk，博士，美國SanaHeal Inc.創(chuàng)始人及CTO、韓國高等科學技術研究院（KAIST）機械工程系兼職教授。于2020年獲得麻省理工學院機械工程博士學位。主要致力于研究面向人類健康的軟材料設計、生物粘合技術、水凝膠3D打印技術開發(fā)及其生物電子、軟體機器人應用。以第一或通訊作者在Nature、Nat. Mater.、Nat. Rev. Mater.、Nat. Commun.等期刊上發(fā)表SCI論文70余篇，引用15000余次。曾獲福布斯30歲以下30人、MIT Technology Review Innovator Under 35、Nature Spinoff Prize等榮譽。

盧寶陽，教授、江西科技師范大學柔性電子創(chuàng)新研究院常務副院長、柔性電子江西省重點實驗室主任。主要致力于導電聚合物水凝膠材料設計、加工制造及應用開發(fā)。以第一或通訊作者在Nat. Mater.、Nat. Rev. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev.等期刊上發(fā)表SCI論文160余篇，引用9000余次，授權中國、美國發(fā)明專利20余項。主持國家自然科學基金等項目20余項，獲江西省自然科學獎一等獎1項、二等獎1項；獲全國優(yōu)秀教師等榮譽稱號。

來源：高分子科學前沿