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  導電水凝膠由于其獨特的柔韌性、可拉伸性、電子/離子電導率和生物相容性的優(yōu)勢，在生物電子學、軟體機器人和生物醫(yī)學領域有著廣泛的應用。然而，目前制備的導電水凝膠，無論是離子導電水凝膠還是添加導電粒子的導電復合水凝膠，普遍存在電導率不高（通常都低于10 S/m）和電導率隨水凝膠形變波動大的問題，限制了導電水凝膠材料在很多領域的應用，比如電磁屏蔽，電加熱和儲能等方面。另一方面，除了高電導率外，在很多應用場合都要求水凝膠材料具有高的拉伸強度和模量。然而，傳統(tǒng)方法制備的均質水凝膠材料很難兼具超高的電導率和高的力學性能。

  針對以上問題，葉長懷教授/朱美芳院士團隊通過靜電紡絲和真空輔助抽濾方法制備了兼具超高電導率和高力學強度的三明治結構ANF-PVA/AgNWs導電水凝膠雜化材料。靜電紡絲得到的芳綸納米纖維增強的聚乙烯醇水凝膠層（ANF-PVA）為三明治結構水凝膠提供高的力學性能，通過真空輔助抽濾在納米多孔纖維氈上沉積的銀納米線/PVA層為水凝膠提供超高的電導率。

圖1. (a) ANF 增強 PVA 水凝膠和具有三明治結構的導電雜化水凝膠的制造過程示意圖。(b) ANF 增強 PVA 水凝膠中分子間相互作用的示意圖。(c, d) 靜電紡絲法制備的 ANF-PVA 纖維氈的圖片和 SEM 顯微圖片； (e, f) 通過在 ANF-PVA 纖維氈上真空輔助過濾 AgNWs/PVA 制備的導電雜化水凝膠；(g, h) 三明治結構的導電水凝膠

  基于靜電紡絲纖維氈的多級結構設計以及ANF和PVA之間強的氫鍵相互作用，制備的ANF-PVA雜化水凝膠具有高達10.7-15.4 MPa的彈性模量，3.3-5.5 MPa的拉伸強度以及5.7 kJ m^-2的斷裂能。由于AgNWs/PVA層與ANF-PVA層之間具有優(yōu)異的界面粘結強度，所制備的三明治結構ANF-PVA/AgNWs導電雜化水凝膠的力學性能可以達到ANF-PVA水凝膠相近的力學性能，其彈性模量達到11 MPa，拉伸強度3.3 MPa和5.4 kJ m^-2的斷裂能。

圖2. (a) 拉伸應力-應變曲線；(b) 拉伸強度，彈性模量；(c) 具有不同 ANF 含量的 ANF 增強 PVA 水凝膠以及具有 0.23 vol% AgNWs 的三明治結構 ANF1.96%-PVA/AgNWs 復合水凝膠的斷裂伸長率和斷裂能

  ANF-PVA/AgNWs導電雜化水凝膠除了具有優(yōu)異的力學強度，還具有高達1.66×10⁴ S m^-1的表觀電導率。更重要的是，在0-90%的拉伸應變下，水凝膠具有不隨應變變化的穩(wěn)定的電導率，在對水凝膠循環(huán)拉伸-釋放500次后，只僅僅有±10%的電阻波動。穩(wěn)定的電導率主要歸因于彈性 PVA 水凝膠包裹的網(wǎng)狀結構的導電 AgNWs以及 ANF-PVA 和 AgNWs-PVA 層之間的高粘合強度。在受到外力拉伸時，網(wǎng)狀結構的導電網(wǎng)絡只是發(fā)生輕微的變形并且表面沒有發(fā)生大的滑移和裂紋。因此沿著AgNWs網(wǎng)絡方向的電子傳輸路徑和長度幾乎沒有變化, 從而導電雜化水凝膠的導電性基本不受拉伸應變的影響�；谌髦谓Y構水凝膠超高和穩(wěn)定的電導率，他們展示了水凝膠材料在小電壓驅動加熱和電磁屏蔽方面的潛在應用。

圖3. (a) 和 (b) 具有 不同AgNWs含量的導電ANF-PVA/AgNWs水凝膠的方塊電阻和表觀電導率；(c) 具有AgNWs體積分數(shù)0.23%的ANF-PVA/AgNWs水凝膠拉伸應變-電阻值；(d) 拉伸應變設置在15%條件下，循環(huán)拉伸-恢復的電阻變化；(e) 折疊角度180°下的循環(huán)折疊-恢復的電阻變化；(f) 水凝膠拉伸強度和電導率的比較；(g) 拉伸、彎曲和扭曲條件下導電ANF-PVA/AgNWs水凝膠作為導體點亮LED燈泡的圖片；(h) 雜化水凝膠拉伸前后通過導電網(wǎng)絡的網(wǎng)狀導電AgNWs網(wǎng)絡和電子傳輸路徑示意圖

圖4. (a) 通過施加不同的電壓ANF-PVA/AgNWs水凝膠的焦耳-加熱性能；(b)， (c) 和 (d) 0 V，1 V和1.5 V 條件下的水凝膠的紅外熱成像圖片；(e) ANF-PVA/AgNWs 水凝膠作為電致變色材料的應用演示

圖5. (a) 在X波段下的電磁屏蔽性能；(b) ANF-PVA/AgNWs水凝膠 SET，SER和SEA的比較；(c) 導電ANF-PVA/AgNWs 水凝膠用于無線模塊電磁屏蔽的應用實例展示

  相信這次工作開發(fā)了一種新穎的策略去制備具有高機械性能和超高電導率的可拉伸水凝膠，本次工作對于拓展水凝膠在柔性生物電子和軟體機器人的應用具有巨大的潛力。

  該研究以“Mechanically Strong and Multifunctional Hybrid Hydrogels with Ultrahigh Electrical Conductivity”為標題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。論文的第一作者為東華大學材料科學與工程學院博士生周慶亞，共同通訊作者為東華大學葉長懷教授和朱美芳院士，東華大學孫賓教授和南密西西比大學強哲教授為論文的共同作者。

  論文鏈接：

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104536

  https://doi.org/10.1002/adfm.202104536