水凝膠是一種類似人體組織的仿生材料，往其中加入導(dǎo)電成分制成的 “導(dǎo)電水凝膠”，更是被寄予厚望用于可植入生物電子設(shè)備，比如監(jiān)測人體健康的體內(nèi)傳感器，既能貼合組織又減少免疫排斥。

然而，水凝膠中的水分子的存在會破壞導(dǎo)電成分之間的連接，導(dǎo)致導(dǎo)電水凝膠的導(dǎo)電性比干燥狀態(tài)下降數(shù)倍。更棘手的是，傳統(tǒng)導(dǎo)電水凝膠依賴離子導(dǎo)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?shù)男枨蟆Ｈ绾卧谒肿哟嬖谙拢屗z實現(xiàn)快速的電荷傳輸？這成為領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵難題。

北京理工大學(xué)的趙飛教授研究團隊近日給出了創(chuàng)新方案：他們設(shè)計了一種名為“分級非均質(zhì)網(wǎng)絡(luò)”（HIN）的特殊結(jié)構(gòu)水凝膠，就像在材料內(nèi)部搭建了“電子高速公路”網(wǎng)（圖1a），打破了導(dǎo)電水凝膠內(nèi)部離子主導(dǎo)電荷傳輸機制的傳統(tǒng)認知。

柔軟的“水合PSS網(wǎng)絡(luò)”：由親水的PSS聚合物鏈相互纏繞形成，就像一張彈性十足的“水網(wǎng)”，賦予材料柔韌性和保水性；導(dǎo)電“PEDOT:PSS多晶相”：其中PEDOT微晶像“鋪路磚”，通過致密的PSS聚集體橋接，形成相互交錯的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

更巧妙的是，PEDOT多晶相的內(nèi)部應(yīng)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(huán)境”。當(dāng)施加電場時，這一環(huán)境就像“潤滑劑”，大幅降低電子在微晶之間跳躍的障礙，促進其跳躍（圖1b），從而在水凝膠中形成以電子主導(dǎo)的電荷傳輸通路，而非像傳統(tǒng)水凝膠那樣依賴緩慢的離子遷移。

通過多種表征手段系統(tǒng)揭示了HIN水凝膠的分層非均勻結(jié)構(gòu)特性。拉伸曲線的分階段非線性應(yīng)力特征，印證了非均質(zhì)分級網(wǎng)絡(luò)各相的協(xié)同作用，為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的成功構(gòu)建提供了力學(xué)佐證。與此同時，采用TEM、WAXS、Raman、AFM以及SEM對其進行系統(tǒng)的表征，進一步證明HIN結(jié)構(gòu)的成功構(gòu)建。

通過交變信號傳輸測試、I-V特性曲線、離子環(huán)境穩(wěn)定性電化學(xué)性能測試，進一步揭示HIN水凝膠內(nèi)部存在電子主導(dǎo)的電荷傳輸通路，以及高效的界面離子-電子轉(zhuǎn)導(dǎo)特性。

通過設(shè)計分級非均質(zhì)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了離子-電子轉(zhuǎn)導(dǎo)的“雙重加速”：既讓電子在水凝膠中高速奔跑，又讓生物界面的離子信號即時“翻譯”為電子語言。這種“雙重加速”讓柔性材料能實時讀懂植物的“口渴信號”。將HIN水凝膠作為的微型電極植入植物葉片后，能以超高靈敏度實時捕捉植物內(nèi)部的滲透壓變化。

這項研究開創(chuàng)了一種普適性的材料設(shè)計策略：通過調(diào)控聚合物網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)，在含水環(huán)境中構(gòu)建電子主導(dǎo)的電荷傳輸路徑。該研究打破了水凝膠依賴離子遷移主導(dǎo)電荷傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)機制，為高頻柔性電子器件及超靈敏生物傳感器的開發(fā)提供了新策略。該工作以“Boosting Electronic Charge Transport in Conductive Hydrogels via Rapid Ion-Electron Transduction”為題發(fā)表在《Angew. Chem., Int. Ed.》上。文章第一作者是北京理工大學(xué)的博士生李洲。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。

Boosting Electronic Charge Transport in Conductive Hydrogels via Rapid Ion-Electron Transduction

Zhou Li, Huiru Yun, Yuke Yan, Yang Zhao Fei Zhao

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202506560