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  導(dǎo)電水凝膠因其在電子皮膚、柔性傳感、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，近年來(lái)受到了大量關(guān)注。但是，傳統(tǒng)的離子型導(dǎo)電水凝膠存在著力學(xué)性能與導(dǎo)電性能不匹配問(wèn)題，水凝膠強(qiáng)度高時(shí)導(dǎo)電性能差，導(dǎo)電性好時(shí)強(qiáng)度又很低。而人體皮膚等類水凝膠組織卻同時(shí)具有優(yōu)異的力學(xué)性能和電傳感性能。因此，制備同時(shí)具有優(yōu)異力學(xué)性能和電傳感性能的水凝膠仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

  受到硬殼穿山甲的啟發(fā)，華南理工大學(xué)邱學(xué)青教授和劉偉峰副研究員報(bào)道了一種利用生物質(zhì)木質(zhì)素磺酸鈉（LS）和可生物降解的聚乙烯醇（PVA）為原料，制備高強(qiáng)超韌多功能水凝膠的方法。該水凝膠具有類似穿山甲的盔甲結(jié)構(gòu)：表面致密的水凝膠網(wǎng)絡(luò)鑲嵌著密集的納米銀顆粒（AgNPs）團(tuán)簇，充當(dāng)防護(hù)盔甲，保護(hù)內(nèi)部柔軟的水凝膠結(jié)構(gòu)。

圖a) 通過(guò)凍融法和溶劑交換法制備PVA復(fù)合水凝膠的過(guò)程示意圖; b） LS-1橫截面的TEM圖像；Ag⁺@LS-1 c）和Ag⁰@LS-1 d）橫截面的SEM圖像; e）Ag⁰@LS-1的外表面橫截面SEM圖像；f）Ag⁰@LS-1的外表面橫截面的TEM圖像以及銀和硫元素的Mapping圖。

  研究人員利用木質(zhì)素磺酸鹽兩親性特征在水凝膠基體中形成納米微相分離結(jié)構(gòu)，在相界面間構(gòu)建高效的氫鍵、離子鍵等動(dòng)態(tài)非共價(jià)鍵連接；同時(shí)利用木質(zhì)素磺酸鹽特殊的分子結(jié)構(gòu)對(duì)金屬離子的吸附能力，吸附銀離子，并將表層銀離子還原成納米銀單質(zhì)；還原過(guò)程中表層水凝膠網(wǎng)絡(luò)因鹽析效應(yīng)而變得更加致密，從而將納米銀顆粒鑲嵌成致密的納米銀團(tuán)簇，最終形成了這種特殊的外硬內(nèi)軟盔甲結(jié)構(gòu)。這種外硬內(nèi)軟的梯度仿生盔甲結(jié)構(gòu)賦予了水凝膠極大的韌性 (50.7 MJ/m³)，以及優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度（8.49 MPa）和斷裂伸長(zhǎng)率（1285％），拉伸行為類似塑性體，壓縮行為類似彈性體。

  由于水凝膠表面鑲嵌了一層致密的納米銀顆粒，使得該水凝膠具7.1 S/m的高電導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)了力學(xué)性能與導(dǎo)電性能的完美結(jié)合。這種多功能水凝膠對(duì)于拉伸、壓縮、彎曲、扭曲、書寫甚至溫度變化均顯示出極高的敏感性。此外，表面的納米銀層還賦予水凝膠優(yōu)異的抗菌抑菌功能。

a）Ag⁰@LS-1從0到400％的拉伸應(yīng)變相對(duì)電阻變化以及LED的響應(yīng)；b）在重復(fù)加載和卸載100％拉伸應(yīng)變100次后，Ag⁰ @ LS-1的電阻響應(yīng)；c）在重復(fù)加載和卸載60％壓縮100次后，Ag⁰ @ LS-1的電阻響應(yīng)；d）Ag⁰@LS-1對(duì)手指彎曲的實(shí)時(shí)電阻響應(yīng)；e）Ag⁰@LS-1對(duì)腕部彎曲的實(shí)時(shí)電阻響應(yīng)；f）分別扭曲0°，360°和720°的Ag⁰ @ LS-1的相對(duì)電阻變化。插圖：扭曲過(guò)程中的LED響應(yīng)；g）人型水凝膠局部變化引起的相對(duì)電阻變化；h）手寫傳感器器件的簡(jiǎn)單示意圖；i）Ag⁰ @ LS-1對(duì)手寫“ SCUT”的實(shí)時(shí)電阻響應(yīng)以及簽名傳感器的可視化圖形；j）斷裂前和自愈后的Ag⁰ @ LS-1（2.75 mm×2.75 mm×30 mm）的電阻；k）一次加熱及冷卻過(guò)程中記錄的相對(duì)電阻變化；l）在5 ~ 65 °C之間的相對(duì)電阻-溫度循環(huán)曲線。

  該水凝膠制備方法極其簡(jiǎn)單，該項(xiàng)工作為使用廉價(jià)、綠色且易于獲得的生物質(zhì)和可生物降解聚合物為原料，制備具有復(fù)雜智能應(yīng)用的多功能水凝膠提供了一種全新的思路。

  該研究成果“Equip the hydrogel with armor: strong and super tough biomass reinforced hydrogels with excellent conductivity and anti-bacterial performance”近期發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A（IF=10.733）, 論文通訊作者為華南理工大學(xué)劉偉峰副研究員和邱學(xué)青教授，博士生張曉為論文共同一作。該工作闡述了木質(zhì)素在綠色功能高分子材料中應(yīng)用的重要性，證實(shí)了工業(yè)木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu)的特殊作用，為今后的木質(zhì)素/高分子復(fù)合材料的理性設(shè)計(jì)提供了借鑒。

  該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金（21706082）、廣州市科技計(jì)劃一般項(xiàng)目（201804010140）和重點(diǎn)項(xiàng)目（201707020025）、廣東省重點(diǎn)培育項(xiàng)目（2017 B090903003）和廣東省基金（2018B030311052，2019A1515012154）的資助。

  論文鏈接地址：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/TA/C9TA10509C#!divAbstract

  由邱學(xué)青教授領(lǐng)銜的華南理工大學(xué)生物質(zhì)資源化工團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事生物質(zhì)資源-木質(zhì)素的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，在木質(zhì)素基工業(yè)表面活性劑、木質(zhì)素納米材料的研發(fā)和應(yīng)用方面取得多項(xiàng)原創(chuàng)性成果，并有多項(xiàng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

  劉偉峰博士長(zhǎng)期從事生物質(zhì)/高分子復(fù)合材料、智能高分子、高性能聚烯烴產(chǎn)品工程、熱塑性彈性體的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，在聚合物產(chǎn)品工程領(lǐng)域具有豐富的研究經(jīng)驗(yàn)。