顆粒在線訊：水凝膠薄膜在創(chuàng)傷敷料、人工隔膜、軟驅(qū)動(dòng)器、柔性電子等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前，大部分高強(qiáng)度水凝膠薄膜制備均需要采用多個(gè)步驟完成。發(fā)展一種簡(jiǎn)單的方法高效制備厚度可控、力學(xué)性能優(yōu)異的水凝膠薄膜是拓展其應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵。其次，水凝膠薄膜在不同領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)其綜合性能提出了不同的要求。例如，以高強(qiáng)度水凝膠薄膜作為柔性電子的基體材料，還需要能夠較好的貼附復(fù)雜曲面，也就是實(shí)現(xiàn)二維柔性電子器件對(duì)三維物體或器官的包覆與固定。

浙江大學(xué)鄭強(qiáng)、吳子良團(tuán)隊(duì)通過(guò)一鍋法在鋯離子（Zr4+）存在的條件下引發(fā)丙烯酸前驅(qū)溶液聚合，得到高強(qiáng)度超分子水凝膠薄膜，其中COO–-Zr4+配位鍵作為物理交聯(lián)點(diǎn)。所制備的水凝膠薄膜透明性好，厚度可控（7-800 μm），力學(xué)性能優(yōu)異且可調(diào)控范圍大。水中平衡后的水凝膠薄膜含水量為45-95 wt%，拉伸斷裂應(yīng)力為0.4-11.9 MPa，斷裂應(yīng)變?yōu)?4-390%，楊氏模量為0.1-186 MPa，撕裂能為100-8900 J·m-2。通過(guò)光模板引導(dǎo)局部聚合，制備了圖案化水凝膠薄膜；通過(guò)形成剪紙（kirigami）結(jié)構(gòu)，水凝膠薄膜具有更好的可拉伸性和對(duì)復(fù)雜曲面的包覆能力。在此基礎(chǔ)上，以含有剪紙結(jié)構(gòu)的水凝膠薄膜為基體，在其表面構(gòu)筑具有傳感功能的液態(tài)金屬電路，制備了高性能柔性電子器件。該器件可對(duì)微小應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠很好地貼附手、肘關(guān)節(jié)等復(fù)雜曲面。此外，通過(guò)形成COO–-Zr4+金屬配位鍵制備高強(qiáng)度水凝膠的方法適用于其他含有羧酸單元的凝膠體系。

圖1. 一鍋法制備基于金屬配位鍵的高強(qiáng)度水凝膠薄膜及其力學(xué)性能。

由于Zr4+穩(wěn)定性好，不影響自由基聚合，因此能夠?qū)⑵浼尤氲角膀?qū)溶液，在聚合過(guò)程中直接形成穩(wěn)健的金屬配位鍵，一步法制備高強(qiáng)度水凝膠薄膜。該水凝膠薄膜在預(yù)制態(tài)（as-prepared）下即具有出色的力學(xué)性能，通過(guò)控制反應(yīng)模具空腔厚度可獲得厚度可控的凝膠薄膜。將預(yù)制態(tài)水凝膠浸入水中平衡，水凝膠薄膜的力學(xué)性能得到進(jìn)一步的提升，這可能是因?yàn)閜H的變化（從酸性到中性）導(dǎo)致凝膠內(nèi)部的配位鍵重排、鍵能增大。

由于聚合、凝膠化速度快，可通過(guò)光掩模板法控制水凝膠薄膜的圖案結(jié)構(gòu)，精度高達(dá)200 μm。通過(guò)構(gòu)筑剪紙結(jié)構(gòu)使水凝膠薄膜具有更好的延展性，實(shí)現(xiàn)了二維薄膜材料對(duì)復(fù)雜曲面的包覆，是柔性電子器件的理想基體材料。

圖2. 通過(guò)光刻法制備含有圖案化結(jié)構(gòu)的水凝膠薄膜及其對(duì)復(fù)雜曲面的貼附性。

以圖案化水凝膠薄膜為基體，通過(guò)模板印刷法在其表面構(gòu)筑液態(tài)金屬電路，制備了高性能柔性電子器件。結(jié)果表明該器件可對(duì)手、肘關(guān)節(jié)等復(fù)雜曲面進(jìn)行貼附，進(jìn)而對(duì)身體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。柔性電子結(jié)構(gòu)化策略可拓展其在醫(yī)療器械、軟驅(qū)動(dòng)器等領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，通過(guò)構(gòu)筑COO–-Zr4+配位鍵增強(qiáng)水凝膠的策略，也適用于其他羧酸體系，有利于其他高強(qiáng)度水凝膠的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。

圖3. 以含有剪紙結(jié)構(gòu)凝膠薄膜為基體、液態(tài)金屬為傳感單元的柔性電子器件及其對(duì)手、肘關(guān)節(jié)的貼附與人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。

以上研究結(jié)果以以“Editor’s choice”形式發(fā)表于Small。浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系虞海超博士為第一作者，吳子良研究員、鄭強(qiáng)教授為通訊作者。該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和浙江省科學(xué)自然基金的支持。