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  如今，柔性電子設備發展迅速，其在健康監測、運動追蹤和人機交互等領域都展現出了巨大潛力。導電水凝膠是廣泛應用柔性電子領域重要柔性材料。水凝膠抗凍性、抗失水性及力學強度等是影響其在可穿戴器件領域應用的重要因素。水凝膠在低溫環境下凍結，同時載流子傳輸減慢，致使其柔韌性和電導率嚴重下降，在高溫環境易失水導致力學性能失效。目前，常用策略是進行聚合物網絡修飾或向凝膠體系中引入多元醇等抗凍劑，通過上述方法最高可將水凝膠凝固點降低至-50 ℃附近，但往往無法有效提高低溫下的電導率，因此如何兼顧低溫下的柔性和導電性仍然是個挑戰。

  基于此，天津大學封偉教授FOCC團隊通過增強凝膠組分與水分子相互作用，甲基丙烯酰胺在室溫下自組裝形成疏水域，有效地提升了導電水凝膠的抗溶脹性（7天后溶脹率為11%）。丙烯酰胺與纖維素納米纖維的羥基和甲基丙烯酰胺的酰胺基形成多重動態氫鍵，提高了材料的力學性能（拉伸強度554.37 kPa），賦予材料自修復能力（3 h內自修復效率=92.51%±0.40%）。離子液體作為導電介質和水鎖劑，賦予導電水凝膠在寬溫度范圍（?50 °C至80 °C）內具有優異的應變傳感性能。其應變傳感范圍在?50 ℃、25 ℃和80 ℃時分別達到526%、890%和300%，應變系數分別為1.1、2.7和1.7。所制備的導電水凝膠可用于寬溫域環境下人體運動的監測，為柔性傳感材料領域提供了一種新的解決方案。

  2025年6月15日，相關研究成果以“Design of High-Temperature-Tolerant, Self-Healing, and Anti-swelling Ion-Conductive Hydrogels for Reliable Flexible Electronics”為題發表在國際權威期刊《Macromolecules》上。2020級博士生于云飛和博士后張志興為論文共同第一作者，通訊作者是天津大學封偉教授。本研究工作得到了國家自然科學基金重點項目以及國家重點研發項目支持。

圖1 導電水凝膠的制備示意圖。

圖2 導電水凝膠的微觀結構。

圖3 導電水凝膠的力學性能和抗溶脹性。

圖4 導電水凝膠的自修復性能。

圖5 導電水凝膠的保水性和分子間相互作用模擬。

圖6 導電水凝膠的寬溫域應變傳感性能。

  文章信息：Yunfei Yu, Zhixing Zhang, Shuo Wang, Wei Feng*. Design of High-Temperature-Tolerant, Self-Healing, and Anti-swelling Ion-Conductive Hydrogels for Reliable Flexible Electronics. Macromolecules, 2025, DOI: 10.1021/acs.macromol.5c01230.

  全文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.5c01230

通訊作者簡介：

封偉，天津大學二級教授、博導。國家“萬人計劃”科技創新領軍人才、國家杰出青年基金獲得者，科技部中青年創新領軍人才, 天津市杰出人才，天津市海河英才，天津市首批“131”創新型人才團隊負責人，英國皇家化學會會士（FRSC），日本學術振興委員會JSPS高級訪問學者，享受國務院政府特殊津貼專家。任第七屆、第八屆教育部科技委學部委員、中國復合材料學會常務理事、導熱復合材料分會會長、中國機械工程學會材料分會高分子材料專業委員會委員，中國材料研究學會高分子材料與工程分會常務理事、纖維材料改性與復合技術分會常務理事、SAMPE中國大陸總會智能復合材料專委會副主任委員等職。主要從事功能有機碳復合材料，高導熱復合材料，光熱能轉換存儲材料，高性能氟化碳材料以及智能響應功能復合材料方向研究，研究成果在Chem.Soc. Rev.、Prog. Mater. Sci.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed等期刊上發表文章200余篇、出版學術專著4部、授權中國發明專利80余項，授權國際專利5項。獲得教育部、天津市、中國復合材料學會等省部級自然科學獎、技術發明獎等一等獎5項。