Small: 含有剪纸结构的高强度超分子水凝胶薄膜及柔性电子器件

水凝胶薄膜在创伤敷料、人工隔膜、软驱动器、柔性电子等领域具有重要的应用价值。目前,大部分高强度水凝胶薄膜制备均需要采用多个步骤完成。发展一种简单的方法高效制备厚度可控、力学性能优异的水凝胶薄膜是拓展其应用领域的关键。其次,水凝胶薄膜在不同领域的应用对其综合性能提出了不同的要求。例如,以高强度水凝胶薄膜作为柔性电子的基体材料,还需要能够较好的贴附复杂曲面,也就是实现二维柔性电子器件对三维物体或器官的包覆与固定。

浙江大学郑强、吴子良团队通过一锅法在锆离子(Zr4+)存在的条件下引发丙烯酸前驱溶液聚合,得到高强度超分子水凝胶薄膜,其中COO-Zr4+配位键作为物理交联点。所制备的水凝胶薄膜透明性好,厚度可控(7-800 μm),力学性能优异且可调控范围大。水中平衡后的水凝胶薄膜含水量为45-95 wt%,拉伸断裂应力为0.4-11.9 MPa,断裂应变为54-390%,杨氏模量为0.1-186 MPa,撕裂能为100-8900 J·m-2。通过光模板引导局部聚合,制备了图案化水凝胶薄膜;通过形成剪纸(kirigami)结构,水凝胶薄膜具有更好的可拉伸性和对复杂曲面的包覆能力。在此基础上,以含有剪纸结构的水凝胶薄膜为基体,在其表面构筑具有传感功能的液态金属电路,制备了高性能柔性电子器件。该器件可对微小应变进行监测,能够很好地贴附手、肘关节等复杂曲面。此外,通过形成COO-Zr4+金属配位键制备高强度水凝胶的方法适用于其他含有羧酸单元的凝胶体系。

图1. 一锅法制备基于金属配位键的高强度水凝胶薄膜及其力学性能。

由于Zr4+稳定性好,不影响自由基聚合,因此能够将其加入到前驱溶液,在聚合过程中直接形成稳健的金属配位键,一步法制备高强度水凝胶薄膜。该水凝胶薄膜在预制态(as-prepared)下即具有出色的力学性能,通过控制反应模具空腔厚度可获得厚度可控的凝胶薄膜。将预制态水凝胶浸入水中平衡,水凝胶薄膜的力学性能得到进一步的提升,这可能是因为pH的变化(从酸性到中性)导致凝胶内部的配位键重排、键能增大。

由于聚合、凝胶化速度快,可通过光掩模板法控制水凝胶薄膜的图案结构,精度高达200 μm。通过构筑剪纸结构使水凝胶薄膜具有更好的延展性,实现了二维薄膜材料对复杂曲面的包覆,是柔性电子器件的理想基体材料。

图2. 通过光刻法制备含有图案化结构的水凝胶薄膜及其对复杂曲面的贴附性。

以图案化水凝胶薄膜为基体,通过模板印刷法在其表面构筑液态金属电路,制备了高性能柔性电子器件。结果表明该器件可对手、肘关节等复杂曲面进行贴附,进而对身体运动进行监测。柔性电子结构化策略可拓展其在医疗器械、软驱动器等领域的应用。此外,通过构筑COO-Zr4+配位键增强水凝胶的策略,也适用于其他羧酸体系,有利于其他高强度水凝胶的开发及应用。

图3. 以含有剪纸结构凝胶薄膜为基体、液态金属为传感单元的柔性电子器件及其对手、肘关节的贴附与人体运动监测。

以上研究结果以以“Editor’s choice”形式发表于Small。浙江大学高分子科学与工程学系虞海超博士为第一作者,吴子良研究员、郑强教授为通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金和浙江省科学自然基金的支持。

论文信息:

Engineering Tough Metallosupramolecular Hydrogel Films with Kirigami Structures for Compliant Soft Electronics

Hai Chao Yu, Xing Peng Hao, Chuan Wei Zhang, Si Yu Zheng, Miao Du, Songmiao Liang, Zi Liang Wu*, Qiang Zheng*

Small

DOI: 10.1002/smll.202103836

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202103836