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  導(dǎo)電水凝膠兼具優(yōu)異的導(dǎo)電性和機(jī)械柔性，是制備柔性電子（如電子皮膚、柔性傳感器、柔性電池等）的理想材料。但是，導(dǎo)電水凝膠中含有大量的水，在低溫下（<0℃）會(huì)發(fā)生凍結(jié)，導(dǎo)致其變得堅(jiān)硬易脆，進(jìn)而限制了導(dǎo)電水凝膠在低溫環(huán)境(如極地)中的應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)具備抗凍功能的導(dǎo)電水凝膠對(duì)拓寬其工作溫度范圍具有重要意義。

  近年來(lái)，天津大學(xué)化工學(xué)院張雷教授課題組一直致力于耐低溫材料和超低溫保存技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用（Advanced Functional Materials, 2019, 30(7): 1907986；Nature Communications, 2020, 11(1): 2037；Chemical Engineering Journal, 2021, 419: 129478；Chemical Engineering Journal, 2020, 402: 126161；Biomacromolecules, 2019, 20(10): 3980-3988；ACS Biomaterials Science & Engineering, 2019, 5(2): 1083-1091；ACS Biomaterials Science & Engineering, 2019, 5(5): 2621-2630等）。例如，受兩性離子型滲透劑（甜菜堿或脯氨酸）抗凍機(jī)制的啟發(fā)，制備了可在-40 ℃條件下不凍結(jié)的抗凍導(dǎo)電水凝膠（Advanced Functional Materials, 2019, 30(7): 1907986）。該水凝膠可在-40 ℃下表現(xiàn)出很高的導(dǎo)電率（~2.7 S/m），并在-40~25 ℃范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的機(jī)械柔性。

  值得注意的是，水凝膠還存在極易脫水變干的問(wèn)題，且脫水后難以自恢復(fù)至原始狀態(tài)，這不僅影響了水凝膠的穩(wěn)定性，也限制了其使用壽命。為了解決這一問(wèn)題，近日天津大學(xué)張雷教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)在聚（磺基甜菜堿-co-丙烯酸）水凝膠中引入可高度水化的氯化鋰鹽，開(kāi)發(fā)了長(zhǎng)效抗凍、保水和自再生的離子導(dǎo)電水凝膠。該水凝膠可在超低溫環(huán)境下（-80 ℃）放置30天不發(fā)生凍結(jié)。同時(shí)，該水凝膠具有出色的保水能力，在環(huán)境溫度下（25℃，54％相對(duì)濕度）放置一周后，可以維持其原始含水量。此外，在真空干燥后，脫水的水凝膠可以自發(fā)吸收周?chē)h(huán)境中（即使在-40 ℃）的水分子，自我再生至其原始狀態(tài)。這些特性使該水凝膠具有更寬的工作溫度范圍及更長(zhǎng)的使用壽命，適用于開(kāi)發(fā)極端環(huán)境下的長(zhǎng)效柔性電子產(chǎn)品。

  聚（磺基甜菜堿-co-丙烯酸）離子導(dǎo)電水凝膠的制備（圖1）。作者選用了具有高度水化能力的氯化鋰作為電解質(zhì)組分和抗凍組分，以聚（磺基甜菜堿-丙烯酸）作為水凝膠的聚合物網(wǎng)絡(luò)。

圖1. 聚（磺基甜菜堿-co-丙烯酸）水凝膠的制備

  聚（磺基甜菜堿-co-丙烯酸）離子導(dǎo)電水凝膠抗凍性能表征（圖2）。作者通過(guò)DSC測(cè)試證明了氯化鋰可顯著降低水溶液冰點(diǎn)，抑制冰晶形成。在-80 ℃下放置30天后，負(fù)載氯化鋰的水凝膠仍然保持未凍結(jié)狀態(tài)且可被扭曲拉伸。

圖2. 聚（磺基甜菜堿-co-丙烯酸）離子導(dǎo)電水凝膠抗凍能力測(cè)試

  聚（磺基甜菜堿-co-丙烯酸）離子導(dǎo)電水凝膠保水性能表征（圖3）。結(jié)果表明，在25 ℃，54％相對(duì)濕度下放置一周后，水凝膠可維持100%的原始含水量。

圖3. 聚（磺基甜菜堿-co-丙烯酸）離子導(dǎo)電水凝膠保水性測(cè)試

  聚（磺基甜菜堿-co-丙烯酸）離子導(dǎo)電水凝膠再生性能表征（圖4）。該水凝膠在真空干燥箱中脫水干燥后，其可在25 ℃，54％相對(duì)濕度下再生至原始狀態(tài)（18小時(shí)）。

圖4. 聚（磺基甜菜堿-co-丙烯酸）離子導(dǎo)電水凝膠自再生能力

  聚（磺基甜菜堿-co-丙烯酸）離子導(dǎo)電水凝膠傳感測(cè)試（圖5）。該水凝膠可作為離子導(dǎo)體用于制備柔性傳感器，監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)。

圖5. 聚（磺基甜菜堿-co-丙烯酸）離子導(dǎo)電水凝膠用于人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)

  相關(guān)成果以“Ionic conductive hydrogels with long-lasting antifreezing, water retention and self-regeneration abilities”為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal。該論文第一作者為睢曉潔，通訊作者為張雷教授，其他作者有郭洪爽、蔡誠(chéng)誠(chéng)、李慶斯、文馳宇、張相宇、汪曉東和楊靜。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.129478

團(tuán)隊(duì)介紹

  張雷，天津大學(xué)化工學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師、生物化工系主任。入選國(guó)家自然科學(xué)基金委“優(yōu)秀青年科學(xué)基金”、教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支撐計(jì)劃”、天津市“中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才”、“侯德榜化工青年獎(jiǎng)”、“天津首屆青年創(chuàng)新能手”等，榮獲2020年天津大學(xué)“我心目中的十佳導(dǎo)師”。擔(dān)任《中國(guó)化工學(xué)報(bào)（英文版）》編委。一直致力于將親水分子的獨(dú)特性質(zhì)應(yīng)用于生物化工多個(gè)領(lǐng)域，包括超低溫凍存、抗凍材料、抗生物粘附材料、抗菌材料等。