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  導電水凝膠的增韌機制研究已取得顯著進展，但伴隨而來的電阻變化問題逐漸顯現。特別是構建高韌性導電水凝膠體系時，其導電性與機械性能之間形成難以協調的競爭關系。因此滿足實際應用穩定性要求、具有卓越機械性能和高導電特性的水凝膠材料仍是該領域亟待突破的關鍵技術難題。

圖1. 超拉伸導電水凝膠的設計思路和規則排列的微觀結構

  近期，大連工業大學紡織科學與工程學院的郭靜-張森教授團隊地提出"拓撲網絡結構-納米纖維協同增強"雙效機制，通過海藻酸鈉拓撲網絡重構與銀納米纖維動態纏繞的協同作用，構建具有多尺度能量耗散體系的智能水凝膠材料。水凝膠表現出了超拉伸性（8226%）、高強度（220 kPa）、高韌性（8.82 MJ/m³）、13.5 kPa的楊氏模量。同時，通過應力誘導實現銀納米纖維定向排列與拓撲網絡解纏結的協同響應，建立了機械力-電導率的動態耦合關系，不僅實現了水凝膠的高電導率而且它還可以再一定的應變范圍內對電導率進行可逆調控。這種多尺度結構協同策略突破了傳統水凝膠“強度-延展性-導電性”的性能三角限制，為開發新型仿生電子皮膚和智能驅動器提供了新的設計理念。

  2025年11月6日，該工作以“Ordered Nanostructures Formed by Multi-Interactions for Toughening the Ultrastretchable Conductive Hydrogel”為題發表在《Macromolecules》上。文章第一作者是大連工業大學的暴達博士，該研究得到國家自然科學基金委、遼寧省教育廳的支持。

  研究基于水凝膠體系中同時存在“軟段-硬段”分子鏈可以提升應變性能的理論，研究首先對水凝膠基體海藻酸鈉(SA)的拓撲結構進行了優化調控。為解決SA剛性較強的問題，研究通過氧化法制備了具有柔韌性結構的氧化海藻酸鈉（OSA）。同時，通過氧化條件的優選，實現了海藻拓撲結構的優化調控。為彌補基體強度的下降，研究將柔性大分子聚乙二醇單甲醚（mPEG）通過接枝共聚反應將其接枝到海藻酸鈉分子鏈，得到接枝共聚物（OSA-g-mPEG）。OSA-g-mPEG利用兩種聚合物之間的共價作用以及柔性支鏈mPEG的纏結限定分子運動，制衡OSA斷裂強度的降低(Figure 1)。

圖2. 超拉伸導電水凝膠體系中不同分子間的相互作用力分析

  其次研究團隊在水凝膠體系內引入了具備較高長徑比的銀納米纖維(AgNFs)作為第二種增韌方式。AgNFs在水凝膠體系中展現出獨特的雙功能協同效應，不僅作為高效電子傳輸的導電網絡構筑單元，更可以作為一種交聯劑通過動態物理交聯機制在分子層面與聚合物基體形成相互作用，從而實現對材料力學性能的精準調控。在整個水凝膠體系中，AgNFs通過與聚合物鏈段產生動態纏繞效應從而直接參與三維網絡的構建。此外，在應力誘導的作用下，水凝膠網絡展現出獨特的應變響應行為：一方面，AgNFs在應力誘導作用下形成的定向排列成為應力的傳遞通路，可以有效分散局部應力集中；另一方面，AgNFs-分子鏈界面處的動態解纏結行為可觸發多重能量耗散機制，包括納米線滑移、聚合物鏈段重排及氫鍵/配位鍵的可逆斷裂與重構。這種從分子尺度（動態鍵重組）到介觀尺度（納米網絡的演化）的多級協同耗散機制顯著提升了水凝膠的斷裂韌性。這種結構-功能一體化設計策略協同基體拓撲結構的優化調控共同形成了“拓撲結構-納米纖維”協同增強機制，不僅突破了傳統水凝膠力學性能與功能性的權衡限制，更為柔性電子皮膚、生物傳感接口等前沿應用提供了創新思路。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.5c01625