福州大学石油化工学院2020级硕士研究生张蕾在江献财副教授的指导下，通过定性冷冻铸造，金属离子诱导交联和盐析效应协同作用开发了一种超级强韧的各向异性导电水凝胶。该项研究以“Super Strong and Tough Anisotropic Hydrogels through Synergy of Directional Freeze-casting, Metal Complexation and Salting Out”为题发表在《Chemical Engineering Journal》期刊上。
水凝胶作为一种柔性韧性兼具的固体材料在组织工程、生物医学、柔性固体储能装置和柔性电子装置中具有广阔的应用前景。这导致了近年来水凝胶的爆炸性发展。然而，传统水凝胶的机械强度通常较差。且材料的强度和韧性之间存在固有冲突，提高机械强度通常会导致材料硬化延展性变差。因此，水凝胶很难同时具有高韧性和高抗拉强度，这极大地限制了水凝胶的使用环境。目前，迫切需要找到一种制备强且韧的导电水凝胶材料的简易方法。
该研究提出了一种制备超强和坚韧水凝胶的简易策略。通过定向冷冻在微观尺度上赋予水凝胶良好的各向异性结构。将得到的预凝胶（PC-3T）浸泡在饱和Na3Cit/Al2(SO4)3复合溶液中引入金属配位交联和盐析效应，进一步实现凝胶在亚微米和纳米尺度上的网络结构致密化。制备得到的PCNA各向异性水凝胶具有超高的拉伸强度、韧性、杨氏模量和撕裂能，分别为25.9MPa、90.9MJ/m3、422.6MPa和118.2 MJ/m2。同时，水凝胶的定向排列结构和晶体结构域的协同整合使其具有非凡的抗裂纹扩展能力和撕裂能量。这一特性大大延长了水凝胶的使用寿命，并为其在高度耐用的柔性电子产品中的使用提供了机会。将这种超强坚韧的导电水凝胶组装成简易传感装置，结合莫尔斯电码，可以实现信息的传输、加密和解密。这项工作为制备用于柔性电子的超强离子导电水凝胶提供了新的方案。
该研究工作由福州大学石油化工学院硕士生张蕾完成，通讯作者为福州大学石油化工学院江献财副教授。该工作得到福建省自然科学基金的资助。