AM：机械性能与电子性能双“优”的透明有机水凝胶纤维

【引言】

可拉伸的导电纤维是下一代柔性电子产品的关键要素。现有的大多数导电纤维是不透明且相对刚性的，并且在拉伸过程中电阻会显著增加。因此，柔软、可拉伸和透明的离子导电水凝胶纤维引起了科研人员极大的关注。然而，水凝胶纤维难以制造并且易失水、易冻，这极大地阻碍了其应用范围。本文设计了有机水凝胶纤维以应对这些挑战。首先，新设计的杂化交联双网络策略实现湿纺连续制备水凝胶纤维，接着通过简单的溶剂置换将其转变为有机水凝胶纤维。有机水凝胶纤维具有出色的抗冻能力（<-80°C），稳定性（> 5个月），透明性和可拉伸性（400%）。共价交联网络为主的设计克服了现有导电纤维的缺陷，确保了纤维具有高动态机械稳定性，而滞后和蠕变可忽略不计。因此，由有机水凝胶纤维制成的应变传感器可以精确捕获高频（4 Hz）和高速（24 cm s^-1）运动，并且在1000次拉伸释放循环中电信号几乎没有漂移，因此可用于监测比如发动机气门这样的快速循环往复运动，电子监测性能超越了以前报道的导电纤维。有机水凝胶纤维还展现了作为可穿戴各向异性传感器、数据手套、软电极和光纤应用的潜力。

【成果简介】

与传统的基于薄膜的设备相比，基于纤维或织物的电子设备具有许多优势，因此在可穿戴电子设备领域引起了极大的关注。目前可以将基于纤维的电子器件编织成各种3D形状以用于不规则表面，并且可以轻松地将其集成到纺织品中以检测不同方向上的应变，而这通过基于膜的应变传感器很难实现。对于基于薄膜的传感器，有效地适应弯曲和柔软的人体皮肤仍然是一个挑战。此外，薄膜通常不能满足皮肤接触电子产品所要求的透气性和透湿性。相反，多孔且透气的基于织物的电子设备可以长时间佩戴而不会引起皮肤不适。

近日，东华大学的游正伟教授（通讯作者）在Adv.Mater. 上发表了一篇题为“Mechanically and Electronically Robust Transparent Organohydrogel Fibers”的文章。这项工作报告了一种新型的导电纤维——有机水凝胶纤维。首先，基于独特的物理共价杂化交联机理，科研人员以藻酸盐和末端官能化的聚乙二醇（PEG）预聚物（聚乙二醇二丙烯酸酯，PEGDA，Mn = 20 000）为原料，构建双网络，实现了水凝胶纤维的连续纺制工艺。接下来，将水凝胶纤维中的一部分水置换为甘油，大规模制备有机水凝胶纤维。所得的有机水凝胶纤维可以在-80°C下工作，并且可以在自然环境中长期稳定保存（>5个月）。最初的离子交联网络可确保纺丝的连续性，而主体的共价交联网络可为纤维提供出色的机械性能。所得的高度可拉伸的有机水凝胶纤维在循环加载和卸载过程中表现出优异的弹性和可忽略的滞后性，这是传统导电纤维难以实现的。

【图文导读】

图1有机水凝胶纤维的设计和制造

a）有机水凝胶纤维中杂化交联聚合物网络的分子设计以及水凝胶纤维的湿纺过程和分子演化示意图；（1），（2）和（3）显示了纺丝过程中不同阶段的结构演变，包括：1）纺丝溶液，2）离子交联纤维，和3）杂化交联纤维。

b）通过置换溶剂由水凝胶纤维制备有机水凝胶纤维的示意图；

c）收集在连续缠绕的线轴上的长单纤维的照片；

d）有机水凝胶纤维针织纺织品的示意图和照片。

图2 有机水凝胶纤维的抗冻性能和稳定性

a）在20°C（i）和-80°C（ii，iiii）下的水凝胶纤维照片，水凝胶纤维冻结并且在-80°C时容易断裂（iii）；

b）在20°C（i）和-80°C（ii，iii）下的有机水凝胶纤维的照片，纤维在-80°C（iii）保持高拉伸性；

c）导电水凝胶纤维在-80°C时变成绝缘体；

d）在-80°C下工作的防冻有机水凝胶纤维仍然导电；

e）在20°C和45％湿度下，有机水凝胶和水凝胶纤维随时间的重量变化。插图是在0和22小时拍摄的纤维照片；

f）在包含导电有机水凝胶纤维的电路中工作的LED的照片，5个月后仍然正常工作。

图3 有机水凝胶纤维的机械和电子性能

a）拉伸过程中纤维的杂化交联网络演变的示意图。离子交联的网络被破坏，共价交联的网络仍然完好无损；

b）有机水凝胶纤维的典型应变应力曲线；

c）应变为50％，100％，150％，200％，250％和300％的有机水凝胶纤维的循环拉伸应力-应变曲线；

d）有机水凝胶纤维传感器的电阻-应变曲线。蓝色和绿色的拟合线分别对应于从0％到50％和从50％到200％的应变；

e）在频率为0.4 Hz的各种循环应变下的电阻变化；

f）基于纤维的应变传感器在50％应变下对十次加载和卸载循环的动态响应，这表明水凝胶应变传感器的电滞后可以忽略不计；

g）有机水凝胶纤维在100％应变下7分钟的电阻变化。

图4 有机水凝胶纤维作为高频和高速运动的传感器

a）用于模拟发动机气门的高频和高速运动的定制设备的示意图；

b）当在高达4 Hz的不同拉伸频率下拉伸至100％时，有机水凝胶纤维应变传感器的电阻变化；

c）在循环拉伸期间，有机水凝胶纤维和水凝胶纤维的电阻（R/R₀）在50％的应变下进行1000次循环的不同响应；

d）比较有机水凝胶纤维与最近报道的导电纤维之间的检测应变和频率。

图5 有机水凝胶纤维的多种应用

a）两条有机水凝胶纤维编织到织物中制备的各向异性应变传感器的照片；

b）随着手腕假体的弯曲和松弛，纤维在x和y方向上的电阻变化；

c）有机水凝胶纤维制成的五通道的数据手套系统对手指弯曲和伸直的实时响应；

d）对国际手语中字母H，I，D和H手势的实时响应。

图6 有机水凝胶纤维在生物医学领域的应用

a）有机水凝胶纤维在光遗传学和ECG中的潜在应用示意图；

b）使用有机水凝胶纤维电极收集的人类心电图；

c）红色激光从直的和弯曲的有机水凝胶纤维通过和导出的照片。

【小结】

研究人员设计并有效地制造了一种新型的导电纤维——有机水凝胶纤维。首先使用常规的湿法纺丝设备建立了连续工艺来生产水凝胶纤维，水凝胶纤维是重要的导电纤维家族，以前很难大规模制备。连续生产水凝胶纤维的关键是独特的杂化交联双网络策略，该方法不仅可以确保高效纺丝，还可以使纤维表现出出色的机械性能。由甘油和水组成的二元溶剂可使有机水凝胶纤维在低温或干燥环境中保持稳定。有机水凝胶纤维由于可以忽略的滞后和蠕变以及优异的溶剂保持性，可以精确地监测高频和高速重复运动以及长时间变形。除应变传感器外，有机水凝胶纤维还显示出其作为数据手套，可拉伸电极和光纤的潜力。这项工作为机械和电子性能双优的透明纤维提供了新的分子设计思路和实用的制备新方法，在可穿戴电子，生物医学和生物医学人工智能等领域会有广泛的应用。

文献链接：Mechanically and Electronically Robust Transparent Organohydrogel Fibers（Adv.Mater., DOI: 10.1002/adma.201906994）

作者主页：http://pilab.dhu.edu.cn/zyou/

本文由材料人编辑部高分子学术组水手供稿，材料牛编辑整理。

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