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  在極端低溫條件下，死海的水體依然保持流動性，這一現(xiàn)象被稱為“死海效應(yīng)”。受此啟發(fā)，大連理工大學(xué)董旭峰教授團隊開發(fā)了一種多重交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)離子導(dǎo)電水凝膠，通過模擬無機鹽與高分子鏈的協(xié)同作用，解決了傳統(tǒng)水凝膠在機械強度、低溫脆性和抗菌性上的瓶頸。這種水凝膠不僅拉伸強度高達(dá)8.93 MPa，還能在-30°C下保持柔韌，并可實時監(jiān)測人體運動信號。該工作以“Super Tough Anti-freezing and Antibacterial Hydrogel with Multi-crosslinked Network for Flexible Strain Sensor”為題發(fā)表在《SMALL》上（Small, 2024, 2407870）。大連理工大學(xué)碩士生劉慧敏、博士生關(guān)世強以及王鵬偉副教授為論文的共同作者。

設(shè)計核心：氫鍵+金屬配位，打造“鋼筋鐵骨”網(wǎng)絡(luò)

1. 靈感來源：死海效應(yīng)的科學(xué)延伸

• 氫鍵網(wǎng)絡(luò)：PA的12個羥基（-OH）與聚乙烯醇（PVA）鏈形成密集氫鍵，如同“分子間的握手”，增強韌性。
• 金屬配位鍵：Ca2?與海藻酸鈉（SA）的羧基（-COO?）結(jié)合，形成高強度交聯(lián)點，賦予水凝膠“鋼筋骨架”。

2. 甘油協(xié)同抗凍：鎖住自由水，低溫不“罷工”

圖1 多重交聯(lián)PSP-CG水凝膠機理圖

性能亮點：強韌、抗凍、抗菌“全能選手”

1.機械性能：能“扛”能“打”，循環(huán)6000次不疲勞

• 拉伸強度8.93 MPa，斷裂伸長率859.93%，韌性達(dá)39.92 MJ/m3（圖2）。
• 6000次加載-卸載循環(huán)后，能量耗散穩(wěn)定，抗疲勞性媲美工程材料。

圖2 PSP-CG水凝膠的機械特性

2.抗凍性能：-30°C仍可彎折拉伸

圖3 PSP-CG水凝膠再低溫環(huán)境下的機械特性

• CaCl?破壞細(xì)菌細(xì)胞膜電位，PA螯合金屬離子抑制代謝（圖4）。
• 對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別達(dá)36.64%和59.73%，長期存放無霉變。

圖4 PSP-CG水凝膠的抗菌性

4. 高靈敏度應(yīng)變傳感：響應(yīng)時間僅126 ms

圖5 PSP-CG水凝膠對人體不同部位的運動信號檢測

應(yīng)用前景：柔性電子的“全能載體”

  1.可穿戴設(shè)備：貼合皮膚監(jiān)測心率、呼吸等生理信號。

  2.軟體機器人：低溫環(huán)境下穩(wěn)定驅(qū)動的“人工肌肉”。

  3.醫(yī)療傳感：抗菌特性降低感染風(fēng)險，適用于傷口敷料。

  4.極端環(huán)境探測：極地科考或深海設(shè)備的柔性傳感器。

  該研究通過仿生設(shè)計與多交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新，成功突破水凝膠的性能邊界。未來，團隊計劃進一步優(yōu)化導(dǎo)電性與響應(yīng)速度，探索其在智能醫(yī)療、人機交互等領(lǐng)域的深度應(yīng)用。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202407870