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廈門大學林友輝教授團隊 Adv. Funct. Mater.: 一鍋法合成Hofmeister效應(yīng)輔助型多功能雙網(wǎng)絡(luò)有機水凝膠
2024-02-04  來源：高分子科技

  軟導體因其柔韌性和可拉伸性，在人體健康監(jiān)測、人機交互、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域展示出巨大的應(yīng)用潛力。其中，多功能水凝膠因其可調(diào)的機械性能、優(yōu)良的導電性以及卓越的生物相容性等特點而備受關(guān)注。然而，目前大多數(shù)設(shè)計理念和制備方法較為復(fù)雜且低效。


圖1設(shè)計構(gòu)建多功能雙網(wǎng)絡(luò)有機水凝膠


  近期，廈門大學林友輝教授團隊結(jié)合Hofmeister效應(yīng)和油/水體系，采用簡便的一鍋法設(shè)計了一種具有高透明度、可調(diào)的機械性能、優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性和可自由塑形的離子導電雙網(wǎng)絡(luò)有機水凝膠(PGAOH)(圖1)。由于明膠不能直接在高濃度的硫酸銨溶液中分散，制備Hofmeister效應(yīng)輔助型明膠水凝膠通常采用后處理的方式。然而，這種方法耗時較長，且對凝膠的體積大小難以控制。有趣的是，本研究意外發(fā)現(xiàn)丙烯酰胺分子有助于明膠分散在高濃度的硫酸銨溶液中，可以實現(xiàn)一鍋法制備Hofmeister效應(yīng)輔助型凝膠，從而顯著減短凝膠合成所需時間，并有助于穩(wěn)定凝膠的體積。同時，體系中的丙烯酰胺分子可以通過光聚合反應(yīng)形成另一個聚合物網(wǎng)絡(luò)（聚丙烯酰胺），進一步提升PGAOH的機械性能。研究團隊選擇了無硫酸銨/無甘油(PGH)和僅無硫酸銨(PGOH)的凝膠體系作為對照組，旨在深入研究硫酸銨和甘油對PGAOH性能的具體影響。研究結(jié)果揭示，硫酸銨和甘油均能顯著提升PGAOH的機械性能。PGAOH展現(xiàn)出了卓越的機械性能，其模量為177 KPa，韌性為2490 KJ m?3。這些性能明顯優(yōu)于對照體系PGH(模量為55 KPa，韌性為426 KJ m?3)和PGOH(模量為79 KPa，韌性為1588 KJ m?3）。此外，甘油的引入顯著提高了PGAOH的環(huán)境穩(wěn)定性和透明度(圖2, 3)。 


圖2硫酸銨和甘油對PGAOH性能的影響 


圖3 PGAOH的環(huán)境穩(wěn)定性


  研究團隊還通過將PGAOH與信號采集/處理電路進一步結(jié)合，成功打造了一款虛擬現(xiàn)實(VR)跑酷游戲。在這款游戲中，玩家可以通過自身的身體運動來操控游戲內(nèi)角色的動作，這種創(chuàng)新的交互方式極大地增強了玩家的沉浸式游戲體驗(圖4)。這項工作展示了一種一鍋法制備Hofmeister效應(yīng)輔助型多功能有機水凝膠的新策略，該方法既簡單又省時，有望在可穿戴軟電子器件基材領(lǐng)域展現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力。該工作以“Hofmeister Effect-Assisted Facile One-Pot Fabrication of Double Network Organohydrogels with Exceptional Multi-Functions”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上（Adv. Funct. Mater. 2024, 2307566）。文章共同第一作者是廈門大學博士研究生余德帥和易佳，通訊作者為廈門大學林友輝教授。該研究得到了國家自然科學基金項目（12274356）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金（20720220022）和111引智計劃（B16029）的資助。 


圖4 PGAOH的電學性能及其應(yīng)用


  該工作是團隊近期關(guān)于調(diào)控高分子的結(jié)構(gòu)與性能相關(guān)研究的最新進展之一。在過去的研究中，結(jié)合微納米制備工藝，團隊開發(fā)了一系列基于高分子結(jié)構(gòu)調(diào)控體系（Adv. Mater. 2019, 31, 1900870;Small Methods 2021, 5, 2001060; Adv. Func. Mater. 2016, 26, 8978；ACS Appl. Bio Mater. 2020, 3, 2891），在此基礎(chǔ)上探索了其在柔性功能器件和人機交互領(lǐng)域的應(yīng)用潛能（Adv. Sci. 2023,10, 2207400；Small 2020, 16, 2000128;），并且深入探索了半結(jié)晶高分子聚合物的結(jié)構(gòu)形成與轉(zhuǎn)化，開創(chuàng)了調(diào)控聚合物分子取向的全新策略(Nat. Commun. 2024, 15, 118)。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202307566

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（責任編輯：xu）
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