专栏名称: 高分子科学前沿

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导电水凝胶，最新Adv. Mater. 综述！

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-12-29 10:00

正文

导电水凝胶，尤其是PEDOTs基导电水凝胶，兼具优异的拉伸性、导电性和可加工性，在柔性电子、生物医学工程和能源设备等领域受到广泛关注。近年来，研究者通过不断优化PEDOTs基导电水凝胶的材料设计和制造技术，不仅实现了材料综合性能的稳步提升，还实现了与3D打印、光刻等先进制造技术的深度融合，从而推进了PEDOTs基导电水凝胶在复杂场景中的应用。尽管如此，当前PEDOTs基导电水凝胶的发展仍面临诸多挑战，如性能仍需进一步提升、制造技术精度不足、复杂系统功能集成难以实现等问题，严重限制了其实际应用及商业化推广。因此，系统总结PEDOTs基导电水凝胶在材料设计、制造技术及跨学科应用中的最新进展，对于推动这一领域的研究具有重要意义。

鉴于此，近日，江西科技师范大学卢宝阳教授、韩国科学技术院Hyunwoo Yuk教授等人在Advanced Materials期刊上发表了题为“PEDOTs-Based Conductive Hydrogels: Design, Fabrications, and Applications”的综述文章，系统回顾了PEDOTs基导电水凝胶的研究现状，从材料设计、制造技术和应用开发三个层面出发，重点聚焦PEDOTs基导电水凝胶材料跨尺度设计机理与性能评估、制备技术演化与制造策略以及在生物电子学、软驱动器、能源设备和太阳能蒸发器等不同领域中的应用，并讨论了PEDOTs基导电水凝胶在高性能材料、先进制备技术和系统集成方面存在的机遇与挑战，旨在推进PEDOTs基导电水凝胶进步与应用发展。

图1 近十年PEDOTs基导电水凝胶的发展史

图2 PEDOTs基导电水凝胶的设计策略、制造工艺及应用。

PEDOTs基导电水凝胶设计策略

高性能PEDOTs基导电水凝胶需要合理设计以满足应用需求。典型的设计策略包括分子工程（分子结构设计）、网络工程（链-链相互作用）、跨尺度相工程（从纳米、微米到毫米尺度）以及结构工程（微观形态调控）等。这些策略借助分子、网络、相结构之间的相互作用，设计制备了高性能PEDOTs基导电水凝胶。在本节中，他们简要总结了各种高性能PEDOTs基导电水凝胶的设计策略，并讨论了相应的设计原则及内部机理。

图3 PEDOTs基导电水凝胶的分子工程设计策略

图4 PEDOTs基导电水凝胶的网络工程设计策略

图5 PEDOTs基导电水凝胶相工程设计策略

图6 PEDOTs基导电水凝胶结构工程设计策略

PEDOTs基导电水凝胶制备方式

PEDOTs基导电水凝胶因其高度可控的结构设计在实现特定功能需求下具有深远的应用潜力。本节回顾并分析了了PEDOT基导电水凝胶的二维（2D）和三维（3D）制备技术，涵盖旋涂、湿法纺丝、喷墨打印（IJP）、墨水直写（DIW）以及数字光处理（DLP）的原理特点、技术演变及发展潜力。

图7 PEDOTs基导电水凝胶制备技术

PEDOTs基导电水凝胶应用

通过对材料设计、结构和制备方法的系统优化，PEDOTs基导电水凝胶在广泛的应用领域中展现出显著优势。在本节中，总结并分析了其在生物电子、软驱动器及能源器件等应用中的关键问题、发展现状及技术优势。

图8 PEDOTs基导电水凝胶生物电子应用

图9 PEDOTs基导电水凝胶软驱动器

图10 PEDOTs基导电水凝胶能源器件及系统应用

图11 PEDOTs基导电水凝胶太阳能水净化

未来展望

PEDOTs基导电水凝胶因其具备导电性、机械柔韧性和亲水性等多功能集成的特点，在柔性电子、生物医学诊疗、智能可穿戴设备及能源等领域展现了显著优势，然而机遇与挑战并存。高性能PEDOTs基导电水凝胶的研发不仅推动了材料制造原理的创新，还促进了功能的自主集成，实现了材料在复杂应用场景中的潜力最大化。同时，先进制造技术为PEDOTs基导电水凝胶的结构设计提供了更大的自由度，使其能够满足多任务导向的应用需求。这些技术的结合，不仅为水凝胶材料的发展开辟了新路径，还为可靠系统集成的突破与广泛应用奠定了基础。在本节中，从高性能PEDOTs水凝胶设计、先进制造技术和系统集成三个方面对未来方向及前瞻应用进行了讨论与展望。

图12 PEDOTs基导电水凝胶的未来发展方向

江西科技师范大学李海博士、上海交通大学博士生曹杰为论文共同第一作者，江西科技师范大学卢宝阳教授和韩国科学技术院Hyunwoo Yuk教授为论文共同通讯作者，参与作者还有斯坦福大学Vivian Rachel Feig教授、莱斯大学Christina M. Tringides教授、东华理工大学徐景坤教授以及江西科技师范大学硕士生万荣泰。该论文得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、江西省重点研发计划项目等项目的资助。

论文信息：

Hai Li, Jie Cao, Rongtai Wan, Vivian Rachel Feig, Christina M. Tringides, Jingkun Xu, Hyunwoo Yuk, Baoyang Lu. PEDOTs-Based Conductive Hydrogels: Design, Fabrications, and Applications, Advanced Materials, 2024, 2415151.

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202415151

作者简介:

李海，博士、江西科技师范大学柔性电子创新研究院副教授（校聘）。主要从事导电水凝胶制备及柔性电子应用。近五年以第一或通讯作者在Adv. Mater.、Nano Energy等期刊上发表SCI论文10余篇。

Hyunwoo Yuk，博士，美国SanaHeal Inc.创始人及CTO、韩国高等科学技术研究院（KAIST）机械工程系兼职教授。于2020年获得麻省理工学院机械工程博士学位。主要致力于研究面向人类健康的软材料设计、生物粘合技术、水凝胶3D打印技术开发及其生物电子、软体机器人应用。以第一或通讯作者在Nature、Nat. Mater.、Nat. Rev. Mater.、Nat. Commun.等期刊上发表SCI论文70余篇，引用15000余次。曾获福布斯30岁以下30人、MIT Technology Review Innovator Under 35、Nature Spinoff Prize等荣誉。

卢宝阳，教授、江西科技师范大学柔性电子创新研究院常务副院长、柔性电子江西省重点实验室主任。主要致力于导电聚合物水凝胶材料设计、加工制造及应用开发。以第一或通讯作者在Nat. Mater.、Nat. Rev. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev.等期刊上发表SCI论文160余篇，引用9000余次，授权中国、美国发明专利20余项。主持国家自然科学基金等项目20余项，获江西省自然科学奖一等奖1项、二等奖1项；获全国优秀教师等荣誉称号。

来源：高分子科学前沿

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