摘要：溶胀对于传统水凝胶来说无处不在，但在许多情况下并不有利，尤其是水下应用。近日，科研人员通过 MXene 活化引发和锆离子 (Zr4+) 诱导的协同作用，报道了一种抗膨胀和机械强度高的聚丙烯酸 (PAAc)/明胶复合水凝胶，在温和条件下具有快速凝胶过程 (101 s)。交联，无需外部能量输入。发现 MXene 可有效激活链引发，而 Zr4+ 对于促进形成的聚合物链的交联是必不可少的。由于 PAAc 和明胶链之间的致密氢键使上临界溶液温度高于室温，由此产生的水凝胶在室温下表现出卓越的抗溶胀性能和高机械性能。此外，由于 MXene 和 Zr4+ 的同时贡献，水凝胶中出现了理想的导电性，允许凝胶在水下变形时稳定的电信号输出。作为演示，组装了一个利用凝胶作为传感模块的水下通信器，该通信器能够通过莫尔斯电码向地面上的解码器无线传递信息。这项研究为坚韧和抗膨胀的水凝胶的快速凝胶化提供了一种示范方法，用于持久的水下应用。
图1. 快速制备抗溶胀水凝胶的策略及其与其他抗溶胀水凝胶体系的综合性能对比。
MXene与热引发剂APS混合时能够在室温条件产生大量的自由基，由此迅速引发丙烯酸的聚合。同时，前驱液中的Zr4+可以迅速交联生成的聚丙烯酸分子链，从而实现快速凝胶化。为了实现抗溶胀性能，体系中同时引入明胶，通过明胶与聚丙烯酸之间的动态氢键，使得水凝胶的上临界共溶温度(UCST)高于室温，实现其在室温下的抗溶胀性能。
图2. 通过MXene激活链引发和Zr4+诱导交联的协同作用实现水凝胶快速凝胶化。
MXene是室温下快速凝胶化的关键，不含MXene的前驱液在室温下无法凝胶；而不含Zr4+的前驱液由于缺乏Zr4+的强交联作用只能实现缓慢的部分凝胶化；当且仅当前驱液同时包含MXene和Zr4+时才能够实现快速且完整的凝胶化。此外，凝胶化时间(22s-289s)可以通过调整MXene和Zr4+的含量来简单控制。
图3. MXene和Zr4+含量对凝胶网络结构和力学性能的影响。
通过改变MXene和Zr4+的含量可以在宽范围内轻松调控水凝胶的内部孔结构以及力学性能。
图4.复合水凝胶的UCST行为。
图5.复合水凝胶的抗溶胀性能。
图6.抗溶胀复合水凝胶的导电性能。
图7. 抗溶胀复合水凝胶作为水下通信器模块的演示。
总结：在水凝胶体系中同时实现快速凝胶化、抗溶胀性、高机械性能和令人满意的导电性对于快速制造可靠的水下软电子器件具有重要意义，但也极具挑战性。总之，科研人员报告了通过 MXene 活化引发和 Zr4+ 诱导交联的协同作用，使坚韧、抗膨胀和导电的明胶/聚丙烯酸 (PAAc) 水凝胶快速凝胶化。前一种作用是引发聚合的前提，后一种作用是缩短聚合物网络形成周期的关键。通过调整 MXene 和 Zr4+ 的含量，凝胶时间可以优化到 101 s 的规模，比水凝胶的常规制造工艺快几个数量级。同时，通过明胶和 PAAc 网络之间氢键的解离/重新缔合，水凝胶中出现高于室温的 UCST，使其在水下具有抗膨胀和高机械性能。由于 MXene 和引入的盐离子都有益于导电性，因此一种基于水凝胶的水下通信无线设备旨在通过摩尔斯电码传递信息。通过记录和转换身体运动过程中凝胶的阻力变化，可以将信息从水下快速清晰地传递到地面。这项工作成功地将快速凝胶化、抗溶胀性、机械强度和导电性集成到水凝胶系统中，为开发用于水下应用的下一代软水合材料开辟了新途径。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202210188