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江西科技師范大學(xué)盧寶陽教授 Adv. Mater. 綜述：PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠
2024-12-27  來源：高分子科技
關(guān)鍵詞：PEDOTs 導(dǎo)電水凝膠

  導(dǎo)電水凝膠，尤其是PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠，兼具優(yōu)異的拉伸性、導(dǎo)電性和可加工性，在柔性電子、生物醫(yī)學(xué)工程和能源設(shè)備等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。近年來，研究者通過不斷優(yōu)化PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠的材料設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了材料綜合性能的穩(wěn)步提升，還實(shí)現(xiàn)了與3D打印、光刻等先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合，從而推進(jìn)了PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠在復(fù)雜場景中的應(yīng)用。盡管如此，當(dāng)前PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠的發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如性能仍需進(jìn)一步提升、制造技術(shù)精度不足、復(fù)雜系統(tǒng)功能集成難以實(shí)現(xiàn)等問題，嚴(yán)重限制了其實(shí)際應(yīng)用及商業(yè)化推廣。因此，系統(tǒng)總結(jié)PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠在材料設(shè)計(jì)、制造技術(shù)及跨學(xué)科應(yīng)用中的最新進(jìn)展，對于推動(dòng)這一領(lǐng)域的研究具有重要意義。


  鑒于此，近日，江西科技師范大學(xué)盧寶陽教授、韓國科學(xué)技術(shù)院Hyunwoo Yuk教授等人在Advanced Materials期刊上發(fā)表了題為“PEDOTs-Based Conductive Hydrogels: Design, Fabrications, and Applications”的綜述文章，系統(tǒng)回顧了PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠的研究現(xiàn)狀，從材料設(shè)計(jì)、制造技術(shù)和應(yīng)用開發(fā)三個(gè)層面出發(fā)，重點(diǎn)聚焦PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠材料跨尺度設(shè)計(jì)機(jī)理與性能評(píng)估、制備技術(shù)演化與制造策略以及在生物電子學(xué)、軟驅(qū)動(dòng)器、能源設(shè)備和太陽能蒸發(fā)器等不同領(lǐng)域中的應(yīng)用，并討論了PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠在高性能材料、先進(jìn)制備技術(shù)和系統(tǒng)集成方面存在的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，旨在推進(jìn)PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠進(jìn)步與應(yīng)用發(fā)展。


圖1 近十年PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠的發(fā)展史


圖2 PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠的設(shè)計(jì)策略、制造工藝及應(yīng)用。


PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠設(shè)計(jì)策略


  高性能PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠需要合理設(shè)計(jì)以滿足應(yīng)用需求。典型的設(shè)計(jì)策略包括分子工程（分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）、網(wǎng)絡(luò)工程（鏈-鏈相互作用）、跨尺度相工程（從納米、微米到毫米尺度）以及結(jié)構(gòu)工程（微觀形態(tài)調(diào)控）等。這些策略借助分子、網(wǎng)絡(luò)、相結(jié)構(gòu)之間的相互作用，設(shè)計(jì)制備了高性能PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠。在本節(jié)中，他們簡要總結(jié)了各種高性能PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠的設(shè)計(jì)策略，并討論了相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則及內(nèi)部機(jī)理。


圖3 PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠的分子工程設(shè)計(jì)策略


圖4 PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠的網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計(jì)策略


圖5 PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠相工程設(shè)計(jì)策略


圖6 PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)策略


PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠制備方式


  PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠因其高度可控的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)特定功能需求下具有深遠(yuǎn)的應(yīng)用潛力。本節(jié)回顧并分析了了PEDOT基導(dǎo)電水凝膠的二維（2D）和三維（3D）制備技術(shù)，涵蓋旋涂、濕法紡絲、噴墨打。IJP）、墨水直寫（DIW）以及數(shù)字光處理（DLP）的原理特點(diǎn)、技術(shù)演變及發(fā)展?jié)摿Α?/span>


圖7 PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠制備技術(shù)


PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠應(yīng)用


  通過對材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和制備方法的系統(tǒng)優(yōu)化，PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。在本節(jié)中，總結(jié)并分析了其在生物電子、軟驅(qū)動(dòng)器及能源器件等應(yīng)用中的關(guān)鍵問題、發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)優(yōu)勢。


圖8 PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠生物電子應(yīng)用


圖9 PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠軟驅(qū)動(dòng)器


圖10 PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠能源器件及系統(tǒng)應(yīng)用


圖11 PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠太陽能水凈化


未來展望


  PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠因其具備導(dǎo)電性、機(jī)械柔韌性和親水性等多功能集成的特點(diǎn)，在柔性電子、生物醫(yī)學(xué)診療、智能可穿戴設(shè)備及能源等領(lǐng)域展現(xiàn)了顯著優(yōu)勢，然而機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。高性能PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠的研發(fā)不僅推動(dòng)了材料制造原理的創(chuàng)新，還促進(jìn)了功能的自主集成，實(shí)現(xiàn)了材料在復(fù)雜應(yīng)用場景中的潛力最大化。同時(shí)，先進(jìn)制造技術(shù)為PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了更大的自由度，使其能夠滿足多任務(wù)導(dǎo)向的應(yīng)用需求。這些技術(shù)的結(jié)合，不僅為水凝膠材料的發(fā)展開辟了新路徑，還為可靠系統(tǒng)集成的突破與廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在本節(jié)中，從高性能PEDOTs水凝膠設(shè)計(jì)、先進(jìn)制造技術(shù)和系統(tǒng)集成三個(gè)方面對未來方向及前瞻應(yīng)用進(jìn)行了討論與展望。


圖12 PEDOTs基導(dǎo)電水凝膠的未來發(fā)展方向


  江西科技師范大學(xué)李海博士、上海交通大學(xué)博士生曹杰為論文共同第一作者，江西科技師范大學(xué)盧寶陽教授和韓國科學(xué)技術(shù)院Hyunwoo Yuk教授為論文共同通訊作者，參與作者還有斯坦福大學(xué)Vivian Rachel Feig教授、萊斯大學(xué)Christina M. Tringides教授、東華理工大學(xué)徐景坤教授以及江西科技師范大學(xué)碩士生萬榮泰。該論文得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、江西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。


  論文信息：Hai Li, Jie Cao, Rongtai Wan, Vivian Rachel Feig, Christina M. Tringides, Jingkun Xu, Hyunwoo Yuk, Baoyang Lu. PEDOTs-Based Conductive Hydrogels: Design, Fabrications, and Applications, Advanced Materials, 2024, 2415151.

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202415151


作者簡介：

李海，博士、江西科技師范大學(xué)柔性電子創(chuàng)新研究院副教授（校聘）。主要從事導(dǎo)電水凝膠制備及柔性電子應(yīng)用。近五年以第一或通訊作者在Adv. Mater.、Nano Energy等期刊上發(fā)表SCI論文10余篇。



Hyunwoo Yuk，博士，美國SanaHeal Inc.創(chuàng)始人及CTO、韓國高等科學(xué)技術(shù)研究院（KAIST）機(jī)械工程系兼職教授。于2020年獲得麻省理工學(xué)院機(jī)械工程博士學(xué)位。主要致力于研究面向人類健康的軟材料設(shè)計(jì)、生物粘合技術(shù)、水凝膠3D打印技術(shù)開發(fā)及其生物電子、軟體機(jī)器人應(yīng)用。以第一或通訊作者在Nature、Nat. Mater.、Nat. Rev. Mater.、Nat. Commun.等期刊上發(fā)表SCI論文70余篇，引用15000余次。曾獲福布斯30歲以下30人、MIT Technology Review Innovator Under 35、Nature Spinoff Prize等榮譽(yù)。


盧寶陽，教授、江西科技師范大學(xué)柔性電子創(chuàng)新研究院常務(wù)副院長、柔性電子江西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。主要致力于導(dǎo)電聚合物水凝膠材料設(shè)計(jì)、加工制造及應(yīng)用開發(fā)。以第一或通訊作者在Nat. Mater.、Nat. Rev. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev.等期刊上發(fā)表SCI論文160余篇，引用9000余次，授權(quán)中國、美國發(fā)明專利20余項(xiàng)。主持國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目20余項(xiàng)，獲江西省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)；獲全國優(yōu)秀教師等榮譽(yù)稱號(hào)。

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（責(zé)任編輯：xu）
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