美国卡耐基梅隆大学《Nat. Electron.》：高柔性、高导电性能银片复合水凝胶

材料化学快讯

来源：高分子科学前沿

柔性电极的两个特点，高导电性和与生物组织的贴服性，是其生物电子领域发展的风向标指标。以往的材料，如波纹结构、蛇形结构材料，或微流控通路以及导电聚合物等的发明，都带动了生物电子领域的不断发展推进。但是这些材料相比较生物组织（杨氏模量1-10kPa），仍显得不够柔软。与之相反，水凝胶的诸多理化特性，如杨氏模量、含水量等都与生物组织高度相似。但是水凝胶的本征离子电导率（10-5-10-1 S cm-1）却比金属材料小了6-9个量级。虽然诸多向水凝胶中添加导电填料的创新方法不断提出，如填充金属/碳基纳米材料或者导电聚合物，但是这些方法制造的材料，导电率与柔性似乎总是此消彼长，无法兼得。

为解决这一问题，美国卡耐基梅隆大学的Carmel Majidi团队提出了一种新的构筑导电水凝胶的方法。该方法通过在经典强韧双网络水凝胶体系聚丙烯酰胺-海藻酸钠（PAAm-Alg）水凝胶中加入低浓度的银片，再通过部分脱水，构筑水凝胶中银片渗流网络。所得导电水凝胶导电率达374 S cm-1，延伸率达到250%，并且其杨氏模量竟不超过10kPa，可以媲美人体非常柔软的脂肪组织。该工作题为“An electrically conductive silver–polyacrylamide–alginate hydrogel composite for soft electronics”发表在最新一期Nature子刊《Nature eletronics》上。

图一

银片复合水凝胶的制备与表征

由于面厚比大，更容易在低含量时达到更高的导电率，本工作选用银片作为填充物加入水凝胶中。水凝胶选用锁志刚课题组的经典体系PAAm-Alg水凝胶，但是并不加入高价阳离子去交联Alg，以此来保证水凝胶的柔软性。银片的初始添加量仅为5 vol%，经过部分失水90min后，达到6.07 vol%。但是电阻监控发现，在失水过程中，水凝胶的电阻下降了3个数量级，达到374Ω。形貌表征发现，银片由于水分的流失而逐渐搭接成渗流网络，并且再次浸入水中，这种网络也不会再次被破坏。通电后，电压较大时（4A），银片会发热，这使网络周围水分进一步挥发，电阻减小。循环测试进一步肯定了这种银片渗流网络水凝胶是非常稳固的，并且复合物的电、机械迟滞非常小。

图二

构筑仿刺魟柔性游泳机器人

鉴于银片复合水凝胶的高柔性和高导电率，它可以用来参与制造一些柔性机器人。作者设计了一款仿刺魟游泳机器人，用复合水凝胶做成“胸鳍”，导通电流给形状记忆金属（SMA）制作的扑翼。两组SMA交替通电、冷却，使“胸鳍”可以上下扇动、驱使机器人向前游泳。

图三

构筑神经肌肉电刺激电极

此银片复合水凝胶的特点也可被用来拓展水凝胶电极在表皮电极的应用。作者将复合水凝胶和传统离子导电水凝胶电极作对比，用来做小腿胫前肌神经肌肉电刺激。模拟发现，虽然使用的同一个信号源而使肌肉刺激的频率相同，但是用于导电性的优势，复合水凝胶组的脚背屈角大的多。随后在刺激小臂的比较中，复合水凝胶组也引起了更大手部活动角度。

图四

总而言之，这篇论文使用领域里常见的两种代表性材料，银片和PAAm-Alg水凝胶，想人之未想，从如何在水凝胶中搭接稳固的渗流通路这个角度，发明了脱水法，从而构筑出具有优异柔性和导电性的新复合水凝胶。导电填料复合水凝胶是导电水凝胶领域的重要方向，相信本文发明的方法可以启迪很多新工作的诞生。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41928-021-00545-5

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