因其卓越的柔性和生物相容性，导电水凝胶一直备受瞩目，成为可穿戴和柔性电子产品的优质选择。近年来，研究人员不断探索在水凝胶中引入金属、碳等导电材料的方法，以显著提升其导电性能。然而，如何在提高导电性的同时，确保这类水凝胶具备极高的强度和韧性，一直是一项具有挑战性的任务。

图一：液态金属自烧结机理与电子显微镜图像。

针对这个问题，研究者们提出一种巧妙的设计方法来构筑新型聚合物凝胶。作者将大小不一的镓铟共晶液态金属液滴（从1 µm到25 µm）引入聚乙烯醇水凝胶，在充分混合后静置一段时间让液态金属液滴沉降。在这一过程中，大颗粒的液态金属液滴由于重力沉降在水凝胶底部，自烧结形成了液态金属富集层（提供高导电率）；而较轻的液态金属液滴分散在水凝胶内部，表面的氧化膜与聚合物链产生氢键（提供高强度）。

图二：图a，b为液态金属水凝胶导电率和沉降时间、含水量的关系；图c为材料导电率应变响应；图d，e为液态金属富集区的机械烧结。

另外，该研究探索了液态金属液滴沉降时间和水凝胶含水量对于导电率的影响。在多次循环拉伸下，该水凝胶的导电性能反而获得了进一步提升，归因于液态金属富集区的机械烧结。

图三：材料的机械性能和水凝胶网络示意图。

作者还通过冷冻干燥循环（产生聚合物结晶区）和单宁酸修饰（提供多重氢键）的方法进一步增强了液态金属水凝胶的强度。通过研究表明，该聚合物水凝胶具有优异的性能，包括高导电率（从4628 S m−1到217 895 S m−1），高强度（15.44 MPa），高韧性（43.02 MJ m-3），大应变范围（700%），抗疲劳，可回收性，和在外部环境下的高稳定性。

图四：基于该材料的可穿戴电极和电容式传感器实现实时监测生物电信号和人体运动。

最后，作者证明了该类导电水凝胶在可穿戴设备领域的应用，比如心电/肌电信号检测和电容式应变传感器。

该工作近期以“A Laminated Gravity-Driven Liquid Metal-Doped Hydrogel of Unparalleled Toughness and Conductivity”为题发表在《Adv. Func. Mater.》，文章的第一作者是澳大利亚伍伦贡大学博士研究生张晴天，通讯作者为澳大利亚伍伦贡大学的李卫华教授和蒋臻博士。

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来源：高分子科学前沿

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