【摘要】 加拿大阿尔伯塔大学团队在《Advanced Functional Materials》发表研究，开发皮肤角质层启发两性离子水凝胶，解决柔性电子水分流失难题。科学指南针提供理论计算支持，助力材料设计优化。

加拿大阿尔伯塔大学曾宏波教授课题组在《Advanced Functional Materials》发表创新研究成果，开发出皮肤角质层启发的本征保湿抗冻两性离子水凝胶，成功解决柔性电子器件水分流失难题。科学指南针为本研究提供理论计算支持，助力材料设计与性能优化。

 

研究背景与柔性电子挑战

水凝胶凭借其仿生结构和可调特性，成为制备柔性电子和人机界面（HMI）的理想材料。然而，传统水凝胶暴露在空气中后水分极易流失，导致材料稳定性下降和功能失效，严重制约其实际应用。

​技术瓶颈分析：​​

  • 水凝胶水分蒸发导致机械性能劣化和电学性能衰减

  • 物理封装方法改变表面/界面性质，影响器件集成

  • 添加小分子保水剂可能引发皮肤免疫反应和生物相容性问题

  • 现有保湿策略难以兼顾长效稳定性与材料本征性能

图1 .本征保湿两性离子水凝胶设计思路。

 

创新方法：皮肤角质层启发设计

受皮肤角质层天然保湿机制启发，研究团队设计了一种全新两性离子水凝胶体系，仅由吸湿性高分子骨架和结合水构成，无需额外添加剂。

​技术突破要点：​​

  • 采用两性离子高分子DMAAPS构建水凝胶网络，提供高亲水性和吸湿性

  • 通过去除自由水、保留结合水实现本征保湿功能

  • 结合水与聚合物链强相互作用防止水分流失

  • 动态交联机制赋予材料自修复能力和超拉伸性

图2. 两性离子水凝胶的保湿性以及其与其他亲水聚合物的对比。

 

材料设计与保湿机制

通过系统比较非离子、单一离子和两性离子聚合物，揭示两性离子聚合物在去除自由水后的独特柔性保持能力。

​关键发现：​​

  • 两性离子聚合物在40%-80%湿度范围内保持优异柔性

  • 杨氏模量仅从54kPa（80%RH）增加到118kPa（40%RH）

  • 结合水含量稳定，确保材料耐候性和环境适应性

  • 非离子聚合物去除自由水后呈现刚性，失去应用价值

 

抗冻性能与自修复能力

基于结合水的独特性质，水凝胶展现出卓越的抗冻性能和自修复能力，适应各种环境条件。

​性能表征结果：​​

  • DSC分析显示-100°C无结冰峰，证实本征抗冻特性

  • 结合水与聚合物强相互作用防止冰晶形成

  • 动态交联实现损伤部位自发修复，承受500%以上应变

  • 多次修复后仍保持原始机械性能和导电性

图3. 两性离子水凝胶的抗冻性和自修复性能。

 

传感性能与智能识别应用

将水凝胶应用于柔性传感器领域，成功实现人体运动监测和智能书写识别功能。

​应用性能卓越：​​

  • 实时监测人体运动和生理信号，响应灵敏可靠

  • 双通道信号采集结合机器学习算法，实现智能手写识别

  • 分类准确率达96%，显著高于传统水凝胶体系

  • 信号质量稳定，长期使用性能无衰减

图4. 两性离子水凝胶传感器实现智能手部书写识别。

 

总结与展望

本研究开发的皮肤角质层启发两性离子水凝胶，为柔性电子器件提供了创新的本征保湿解决方案，推动人机界面技术发展。

​创新价值总结：​​

  • 首创无需添加剂的本征保湿水凝胶设计策略

  • 结合水机制同时解决保湿和抗冻双重挑战

  • 动态交联网络赋予优异自修复能力和机械性能

  • 科学指南针计算支持为材料设计提供理论指导

​应用前景：​​

  • 可穿戴健康监测设备和柔性显示技术

  • 软体机器人和智能人机交互界面

  • 极端环境下的传感与驱动系统

  • 生物医学植入设备和组织工程

论文信息：Advanced Functional Materials, 2024
DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.202422755

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