在极端低温条件下，死海的水体依然保持流动性，这一现象被称为
“
死海效应
”
。受此启发，
大连理工大学董旭峰教授团队
开发了一种多重交联网络离子导电水凝胶，通过模拟无机盐与高分子链的协同作用，解决了传统水凝胶在机械强度、低温脆性和抗菌性上的瓶颈。这种水凝胶不仅拉伸强度高达
8.93 MPa
，还能在
-30°C
下保持柔韧，并可实时监测人体运动信号。该工作以
“Super Tough Anti-freezing and Antibacterial Hydrogel with Multi-crosslinked Network for Flexible Strain Sensor”
为题发表在《
SMALL
》上（
Small, 2024, 2407870
）。大连理工大学硕士生
刘慧敏
、博士生
关世强
以及
王鹏伟
副教授为论文的共同作者。
设计核心：氢键
+
金属配位，打造
“
钢筋铁骨
”
网络
研究团队利用
CaCl
₂
和植酸（
PA
）模拟死海高盐环境，通过氢键和金属配位键构建多重交联网络（图
1
）：
-
氢键网络：
PA
的
12
个羟基（
-OH
）与聚乙烯醇（
PVA
）链形成密集氢键，如同
“
分子间的握手
”
，增强韧性。
-
金属配位键：
Ca
²⁺
与海藻酸钠（
SA
）的羧基（
-COO
⁻
）结合，形成高强度交联点，赋予水凝胶
“
钢筋骨架
”
。
2.
甘油协同抗冻：锁住自由水，低温不
“
罢工
”
甘油作为多元醇，替代水凝胶中的自由水，与
PA
共同形成
“
束缚水层
”
，破坏冰晶生长路径。
-
机械性能：能
“
扛
”
能
“
打
”
，循环
6000
次不疲劳
-
拉伸强度
8.93 MPa
，断裂伸长率
859.93%
，韧性达
39.92 MJ/m
³
（图
2
）。
-
6000
次加载
-
卸载循环后，能量耗散稳定，抗疲劳性媲美工程材料。
在
-70℃
到
20℃
的温度范围内，
PSP-CG
内部没有发生相位变化。此外，在
-20 C
冷冻
24 h
后，
PSP-CG
水凝胶在断裂时保持了超过
750%
的伸长率，突出了其优越的低温弹性（图
3
）。
图
3
PSP-CG
水凝胶再低温环境下的机械特性
-
CaCl
₂
破坏细菌细胞膜电位，
PA
螯合金属离子抑制代谢（图
4
）。
-
对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别达
36.64%
和
59.73%
，长期存放无霉变。
水凝胶的应变灵敏度（
GF
）在
0-500%
范围内分阶段提升，最高达
2.10
，可精准捕捉吞咽、关节弯曲等细微动作（图
5
）。
图
5
PSP-CG
水凝胶对人体不同部位的运动信号检测
1.
可穿戴设备：贴合皮肤监测心率、呼吸等生理信号。
2.
软体机器人：低温环境下稳定驱动的
“
人工肌肉
”
。
3.
医疗传感：抗菌特性降低感染风险，适用于伤口敷料。
4.
极端环境探测：极地科考或深海设备的柔性传感器。
该研究通过仿生设计与多交联网络创新，成功突破水凝胶的性能边界。未来，团队计划进一步优化导电性与响应速度，探索其在智能医疗、人机交互等领域的深度应用。
该工作是团队关于传感水凝胶的最新进展之一。之前团队针对导电水凝胶在实际用作应变传感器时存在的韧性低、滞后大，力学性能和功能性无法统一的问题，研究制备了多层级交联导电水凝胶，形成了独特的大孔包小孔结构（
J. Mater. Chem. A
,
2023
11, 15404-15415
）；基于
Hofmeister
效应制备了通过疏水聚集增强的强明胶基水凝胶（
Composites Part A
,
2023
,
164: 107287
）；通过结合
Hofmeister
效应和原位聚合，构建了具有高强度和理想耐低温性的聚苯胺夹层聚（乙烯醇）
/
聚丙烯酸（
PVA-PAA-PANI
）杂化水凝胶（
ACS Sustainable Chem. Eng.
,
2023
,
11: 14886−14894
）。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202407870
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