柔性可穿戴電子設(shè)備在運動監(jiān)測、個人健康護理、電子皮膚和人機界面等多種應(yīng)用中受到了廣泛關(guān)注。作為典型的軟導(dǎo)體之一，導(dǎo)電水凝膠因其優(yōu)越的導(dǎo)電性、柔順性和生物相容性，特別受到在可穿戴電子設(shè)備中的應(yīng)用關(guān)注。通過合理選擇填料和結(jié)構(gòu)設(shè)計，這些水凝膠在各類可穿戴領(lǐng)域取得了顯著成功。然而，由于水凝膠中高水分含量引發(fā)的脫水和結(jié)冰問題，對其長期的機械和電性能穩(wěn)定性構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)。幸運的是，離子凝膠通過用非揮發(fā)性的離子液體替代水，提供了有效的解決方案。 然而，離子液體相對較高的成本、潛在毒性和復(fù)雜的合成過程限制了其廣泛應(yīng)用。

最近，低共熔凝膠因其無與倫比的環(huán)境穩(wěn)定性和成本效益而成為研究的前沿。通常，它們由聚合物網(wǎng)絡(luò)和低共熔溶劑（DES）潤脹形成，其中DES由氫鍵供體（HBDs）和氫鍵受體（HBAs）組成。由于DES中豐富的氫鍵作用，低共熔凝膠可以設(shè)計出優(yōu)異的自愈合、防凍和抗干燥特性。為了進一步提高其導(dǎo)電性，通常會加入不同類型的導(dǎo)電填料，包括金屬顆粒、碳材料、MXene和導(dǎo)電聚合物。然而，這些剛性填料與軟聚合物凝膠的界面相容性差，容易在反復(fù)拉伸下引起界面處的應(yīng)力集中。因此，機械性能的妥協(xié)不可避免地發(fā)生在低共熔凝膠中。因此，開發(fā)同時具備高導(dǎo)電性和良好機械性能的低共熔凝膠仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

基于鎵的液態(tài)金屬（LMs），如EGaIn（25%銦和75%鎵），是一種具有低熔點和無毒性的金屬合金。與固體填料相比，液態(tài)金屬具有導(dǎo)電性和流動性的優(yōu)點，因此可以作為理想的軟填料?；谶@一點，液態(tài)金屬納米顆粒（LMNPs）能夠在機械刺激下與聚合物基體一起變形，從而有效緩解上述界面不兼容問題。更有趣的是，液態(tài)金屬納米顆?？梢栽诔暡ㄗ饔孟乱l(fā)丙烯酸單體的聚合，并進一步交聯(lián)，從而展現(xiàn)出液態(tài)金屬填料的多功能特性。需要注意的是，通常需要一系列界面穩(wěn)定劑，如多巴胺、纖維素納米纖維、碳納米管等，以穩(wěn)定液態(tài)金屬納米顆粒在凝膠基體中的分散狀態(tài)，從而增強它們的界面相互作用。因此，通過將液態(tài)金屬納米顆粒復(fù)合材料作為多功能填料，合理設(shè)計，可以制備出超強韌且導(dǎo)電性優(yōu)異的低共熔凝膠。然而，迄今為止，這類先進的低共熔凝膠體系尚未得到展示。

基于上述問題，來自蘇州科技大學(xué)葉常青/趙凱等人首次開發(fā)了一系列導(dǎo)電低共熔凝膠，采用聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）穩(wěn)定化的液態(tài)金屬納米顆粒作為多功能軟填料。首先，通過靜電吸附作用，將PEDOT:PSS吸附到液態(tài)金屬納米顆粒表面，制備了LMNP-PEDOT填料。然后，這些填料在超聲作用下，促使丙烯酸（AA）在三元DES中聚合，形成交聯(lián)的PAA網(wǎng)絡(luò)。接著，引入剛性且脆性的羧甲基纖維素鈉（CMC），與PAA交織，最終形成雙網(wǎng)絡(luò)LMNP-PEDOT-CMC-AA（LPCA）低共熔凝膠。所制備的LPCA共晶凝膠表現(xiàn)出高導(dǎo)電性、良好的延展性、韌性和卓越的電機械耦合性能。此外，DES中豐富的氫鍵和低共熔凝膠中的功能團使其具備良好的自愈合能力，并在多種基材上展現(xiàn)出增強的粘附力。此外，LPCA共晶凝膠展現(xiàn)出優(yōu)越的環(huán)境耐受性，包括抗凍和抗干燥性能。這些特性使其在可穿戴電子設(shè)備和人機界面中的應(yīng)用前景廣闊，具有巨大的潛力。

圖1. LPCA 低共熔凝膠的制造工藝示意圖。

圖2. a) LPCA低共熔凝膠在彎曲、扭曲和打結(jié)變形下的照片。b) 頂視圖和 c) 橫截面SEM圖像，展示LPCA低共熔凝膠的結(jié)構(gòu)。d) SEM圖像和 e) 對應(yīng)的EDS元素分布圖，顯示C、Ga、In和S在同一區(qū)域的分布。f) LM-PEDOT、AA和LPCA低共熔凝膠的FTIR光譜。 g) 一系列顯示LPCA低共熔凝膠附著在各種基材上的照片。h) 剪切實驗示意圖。i) LPCA低共熔凝膠對不同基材的粘附強度曲線，j) 對應(yīng)的粘附強度數(shù)據(jù)。

圖3. a) LPCA低共熔凝膠拉伸的照片及其機制；b) LPCA低共熔凝膠在不同CMC含量下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；c) 對應(yīng)的韌性和彈性模量隨CMC含量變化的圖示。d) LPCA低共熔凝膠在不同LMNP-PEDOT含量下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；e) 對應(yīng)的韌性和彈性模量隨LMNP-PEDOT含量變化的圖示。f) 在20%到100%不同應(yīng)變下，LPCA低共熔凝膠的順序循環(huán)拉伸曲線，未設(shè)間隔。g) LPCA低共熔凝膠在100%應(yīng)變下的重復(fù)循環(huán)拉伸曲線。

圖4. a) LPCA水凝膠和低共熔凝膠在?20°C下冷凍24小時后拉伸的照片。
b) 冷凍過程前后，LPCA低共熔凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。c) 顯示LPCA水凝膠和低共熔凝膠在常溫條件下存儲30天后的拉伸效果的照片，以及對應(yīng)的 d) 質(zhì)量變化。e) LPCA低共熔凝膠在存儲30天前后拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。f) 一系列照片展示LPCA低共熔凝膠的自愈性能。g) 原始樣品和自愈樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。h) 展示LPCA低共熔凝膠自愈機制的示意圖。

圖5. a) 不同LMNP-PEDOT含量的LPCA低共熔凝膠的電導(dǎo)率；b) 不同CMC含量的LPCA低共熔凝膠的電導(dǎo)率；c) LPCA低共熔凝膠在施加應(yīng)變下的相對電阻變化（ΔR/R0）；d) LPCA低共熔凝膠在小應(yīng)變（5%、10%、30%）下的ΔR/R0；e) LPCA低共熔凝膠在大應(yīng)變（50%、100%、200%）下的ΔR/R0；f) LPCA低共熔凝膠在50%應(yīng)變下，不同頻率下的ΔR/R0；g) LPCA低共熔凝膠在應(yīng)變從0%到30%時的響應(yīng)與恢復(fù)時間；h) LPCA低共熔凝膠在50%應(yīng)變下，1000次拉伸-釋放循環(huán)中的循環(huán)穩(wěn)定性。

圖6. LPCA低共熔凝膠在人體運動監(jiān)測中的應(yīng)用。a,b) 手指彎曲；c) 肘部彎曲；d) 膝蓋彎曲；e) 吞咽；f) 皺眉；g) 基于摩爾斯電碼的信號系統(tǒng)，及其對應(yīng)的摩爾斯電碼輸出；h) “SOS”信號；i) “DES”信號。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202410806?saml_referrer