北理工團隊在導電水凝膠領域取得新進展

 

　　導電水凝膠在可植入生物電子設備構造中至關重要，如監測人體健康的體內傳感器，既能貼合組織又減少免疫排斥。然而，水凝膠中的水分子就像“搗亂分子”，其會破壞導電組分之間的連接，導致導電性比干燥狀態下降數倍。此外，傳統導電水凝膠依賴離子導電，而離子在水中的遷移速度遠低于電子，這使得它們在高頻信號傳輸中“力不從心”，無法滿足快速電信號傳輸的需求。如何在水分子存在下，讓水凝膠內部實現快速的電荷傳輸，成為領域內的關鍵難題。
 

　　北京理工大學趙飛教授團隊設計了一種名為“分級非均質網絡”(HIN)的特殊水凝膠結構，就像在材料內部搭建了“電子高速公路”(圖1a)，打破了導電水凝膠內部離子主導電荷傳輸機制的傳統認知。具體而言，該HIN結構水凝膠的組成包括：1)柔軟的“水合PSS網絡”由PSS聚合物鏈相互纏繞形成，就像一張彈性十足的 “水網”，賦予材料柔韌性和保水性；2)導電“PEDOT:PSS多晶相”中，PEDOT微晶像“鋪路磚”，并通過致密的PSS聚集體橋接，形成相互交錯的導電網絡。更巧妙地，PEDOT多晶相的內部應力限制了周圍PSS聚集體的水合程度，形成了一個“超高離子濃度微環境”。當施加電場時，這一環境就像“潤滑劑”，大幅降低電子在PEDOT微晶之間跳躍的能量障礙，促進電子跳躍(圖1b)，從而在水凝膠中形成以電子主導的電信號快速傳輸通路，而非像傳統水凝膠那樣依賴緩慢的離子遷移。該研究通過調控聚合物網絡的微觀結構，在水凝膠中構建電子主導的電荷傳輸路徑，為高頻柔性電子器件及超靈敏生物傳感器的開發提供了新策略。
 

圖1. HIN結構設計概念的示意圖
 

　　作者通過多種表征手段系統揭示了HIN水凝膠的分層非均勻結構特性。拉伸曲線的分階段非線性應力特征，印證了非均質分級網絡各相的協同作用，為網絡結構的成功構建提供了力學佐證。與此同時，采用TEM、WAXS、Raman、AFM以及SEM對其進行系統的表征，進一步證明HIN結構的成功構建。
 

圖2. HIN結構的系統表征
 

　　作者通過交變信號傳輸測試、I-V特性曲線、在離子環境中電信號傳輸穩定性以及電化學性能測試，進一步揭示HIN水凝膠內部存在電子主導的電荷傳輸通路，以及高效的界面離子-電子轉導特性。
 

圖3. 電信號傳輸行為和界面動力學行為測試
 

　　通過設計分級非均質結構實現了離子-電子轉導的“雙重加速”：既實現了電子主導的快速電荷傳輸行為，又能將界面的離子信號即時高效的“翻譯”。這種“雙重加速”讓HIN凝膠能實時讀懂植物的“口渴信號”。將HIN水凝膠作為的微型電極植入植物葉片后，其能以超高靈敏度實時捕捉植物內部的滲透壓變化。
 

圖4. 植物滲透壓的監測
 

　　結語：這項研究開創了一種普適性的材料設計策略：通過調控聚合物網絡的微觀結構，在含水環境中構建電子主導的電荷傳輸路徑。該研究打破了水凝膠依賴離子遷移主導電荷傳輸的傳統機制，為高頻柔性電子器件及超靈敏生物傳感器的開發提供了新策略。