共晶凝胶因其固有的离子导电性、机械柔韧性、环境耐受性和成本效益，在可穿戴设备的开发中引起了广泛关注。共晶凝胶的机械性能决定传感性能方面起着关键作用。然而，在共晶凝胶材料中平衡强度、应变和回复性仍然是一个长期存在的挑战，大多数共晶凝胶只能满足其中一个标准。高回弹性需要凝胶基质内具有强交联，使材料在释放力后通过熵驱动过程恢复其原始状态。但高回弹性共晶凝胶的强度较低，通常低于
0.5 MPa
，
限制了它们的结构多功能性和适用于复杂设计的能力。
而高强度共晶凝胶通常在其应力
-
应变曲线中表现出显著的滞后环，表明存在较大的残余应变。这种残余应变会损害由这些材料制成的传感器的可重复性和基线稳定性，导致信号可靠性差。因此，开发同时具有高强度、高应变和高回弹性的共晶凝胶，以提高基于共晶凝胶的传感器的可靠性和性能，仍然是一个关键且紧迫的挑战。
基于此，
封伟教授
FOCC
团队
在共晶溶剂中合成了聚（苯乙烯磺酸钠）（
PSS
）修饰的金纳米颗粒（
AuNPs
），并成功制备了
PSS-AuNP
增强的聚丙烯酸
/
聚乙烯吡咯烷酮（
SAu-PAA/PVP
）共晶凝胶。通过
AuNPs
与
PAA/PVP
聚合物链之间的配位作用，
SAu-PAA/PVP
共晶凝胶表现出显著增强的拉伸应变（
946%
）、机械强度（
3.50 MPa
）和回弹性（
85.3%
）。
这种高性能共晶凝胶被证明是一种对
应变和温度敏感的柔性传感器
，并且
AuNPs
提供了
近红外传感能力
。
此外，
SAu-PAA/PVP
共晶凝胶继承了共晶溶剂的优点，包括
抗干燥和抗冻性能（
−77 °C
）
。此外，通过简单的成型方法对共晶凝胶进行微结构设计，所得的
分层金字塔微结构
共晶凝胶在压力传感器中作为离子介电层使用。该传感器具有高灵敏度（
37.11 kPa
−1
）、低检测限（
1 Pa
）、快速响应速率
（
36/54 ms
）以及在
500
0
次循环中表现出优异的重复性，使其在检测微小振动方面具有可靠性和耐久性，有望应用于精密机械、航空航天和建筑等领域。
2025年2月20日，相关研究成果以“
High Strength, Strain, and Resilience of Gold Nanoparticle Reinforced Eutectogels for Multifunctional Sensors
”
为题发表在国际权威期刊
《
Advanced Science
》
上。论文第一作者是北京化工大学博士研究生
黄颖翔
，论文通讯作者是天津大学
封伟教授
。本研究工作得到了国家自然科学基金重点项目以及国家重点研发项目支持。
图
1 SAu-PAA/PVP
共晶凝胶的制备过程及应用于多功能传感
在本研究中，作者先合成了由氯化胆碱（
ChCl
）、乙二醇（
EG
）和尿素（
urea
）构成的三元共晶溶剂（
CEU
）。实验过程中发现，
CEU
中的
urea
可以和
H
+
结合，显著提升
PAA
预聚物的
pH
值，促进
AA
中的羧基与
Al
3+
的配位交联，提高凝胶的机械性能。而在
SAu-CEU
的合成过程中，
CEU
中的
urea
还可以缓慢分解为氨，作为还原剂还原
HAuCl
4
·
3H
₂
O
形成
AuNPs
。由于
PAA
预聚物含有丰富的阴离子和阳离子，而未修饰的
AuNP
溶液对外界干扰的抵抗能力较弱。将
PAA
预聚物加入
AuNP
溶液会破坏平衡状态，导致
AuNPs
迅速聚集。相比之下，改性后的
SAu-CEU
溶液在混合后显著延缓了离子的影响，为后续反应提供了充足的时间，从而成功合成了
AuNP
复合共晶凝胶。
图
2
（
A-C
）
AlCl
3
含量及共晶溶剂
CEU
配比对纯
PAA
共晶凝胶的影响；（
D-J
）经
AuNP
增强后得到的
SAu-PAA/PVP
共晶凝胶基本表征及性能优势。
图
3
未改性和
PSS
改性后的
AuNP
溶液与
PAA
预聚物混合后随时间变化的紫外
-
可见
-
近红外吸收光谱及对应的照片。
传统水凝胶的机械性能在零下温度下会显著恶化，这是由于水的冻结破坏了内部结构并降低了水凝胶聚合物链的柔韧性。并且在干燥环境中容易脱水，导致性能急剧下降。相比之下，
CEU
共晶溶剂中的分子通过
ChCl
、
EG
和尿素之间的强氢键相互作用，抑制了低温下溶剂分子的结晶和凝固，并且具有低的饱和蒸气压，使得
SAu-PAA/PVP
共晶凝胶具有优异的抗低温和抗干性。
图
4 SAu-PAA/PVP
共晶凝胶优异的环境耐受性。
共晶溶剂本身具有离子导电性，因此基于该溶剂体系的共晶凝胶无需添加盐即可表现出导电性，
AuNPs
优异的电子传输性能和导电性可以进一步提高
SAu-PAA/PVP
共晶凝胶的电导率。通过将两个电极连接到矩形
SAu-PAA/PVP
共晶凝胶样品的两端，组装了温度、近红外（
NIR
）和应变传感器。该共晶凝胶的卓越性能使得传感器具有优异的信号稳定性。
图
5
基于
SAu-PAA/PVP
共晶凝胶的温度，
NIR
和应变传感器。
此外，他们创新性地采用分层金字塔微结构
SAu-PAA/PVP
共晶凝胶作为离子介电层，制备了一种压力传感器。该传感器表现出卓越的性能，包括高灵敏度（
37.11 kPa
-1
）、快速响应速率（
36/54 ms
）
、低检测限（
≈1 Pa
）以及在
5000
次循环中优异的重复性。其检测微小振动的能力通过与共振音箱的连接得到了验证，突显了其在监测工业设备关键部件振动、评估飞机振动状态或评估建筑物和桥梁结构完整性方面的潜力。本研究为制备金纳米颗粒增强共晶凝胶提供了一种新方法，并展示了分层金字塔微结构的独特优势。这些发现为设计具有增强功能和创新应用的未来柔性电子设备提供了宝贵的见解。
图
6
分层金字塔微结构压力传感器的制备与性能
。
图
7
压力传感器在振动信号监测中的应用
文章信息：
Yingxiang Huang,Yanzhao Yang, Cong Peng, Yu Li, Wei Feng
*.
High Strength, Strain, and Resilience of Gold Nanoparticle Reinforced Eutectogels for Multifunctional Sensors. Adv. Sci. 2025, 2416318.
DOI:
10.1002/advs.202416318
全文链接：
https://doi.org/10.1002/advs.202416318
相关进展
