随着物联网的快速发展和对人机界面需求的不断提高，柔性离子导体以其高弹性、透明性、机械性能可调、导电相一致等特点受到了广泛的关注。水凝胶由聚合物网络结构和超过90％的水组成，与电解质盐混合后可以用作理想的离子导体。然而通过简单的方法制备高机械性能和高导电性兼得、耐冻性好的离子导电水凝胶仍是一个挑战。
亮点
近期，加拿大英属哥伦比亚大学Feng Jiang团队通过聚乙烯醇（PVA）和纤维素纳米纤维（CNFs）在二甲基亚砜-水溶剂体系中的溶胶-凝胶转变制备了一种新型的高弹性（高达660%）、高强度（高达2.1MPa）、坚韧（5.25MJ m−3）和透明（高达90%）的离子导电（3.2M−1）有机水凝胶。相对于以往的发现，今天要介绍的这项研究，有哪些创新点呢？
简言之，这种材料设计展示了CNFs在提高机械性能和离子导电性方面的协同作用，解决了离子导电水凝胶在强度、韧性和离子导电性之间长期存在的两难局面。
同时这种新型有机水凝胶具有优异的耐寒性，即使在-70℃也保持柔性和导电性（1.1 S m−1），对拉伸和压缩变形都表现出高灵敏度，有望成为未来多功能传感器的通用平台。
PVA-CNF有机水凝胶的合成
将PVA和TEMPO氧化的CNF通过一锅溶胶-凝胶合成方法制备了PVA-CNF有机水凝胶，由于高的机械性能和弹性，PVA被选为主要的聚合物网络结构。此外，刚性和带负电荷的CNF被选作纳米填料以增强机械性能和离子电导率。为在零下温度下保持柔韧性和离子电导率，DMSO / H2O二元溶剂系统用于抑制水分子的凝固点并引入抗冻性。同时DMSO还可以促进PVA的凝胶化，并显著提高所得有机水凝胶的机械性能。
PVA-CNF有机水凝胶的机械性能
由于PVA彼此结合形成小晶体和无定形区域共存，以及CNF在聚合物基质中的增强作用，PVA-CNF有机水凝胶显示出优异的柔韧性和机械强度。如图2所示，PVA-1％CNF有机水凝胶显示出最高的韧性（5.25 MJm−3）、应变（660％）值以及令人满意的极限应力（1.4 MPa），超过了已报道的大多数离子导电水凝胶。PVA-CNF有机水凝胶不仅具有可拉伸性，而且还具有出色的压缩性能和可调节的压缩应力，PVA-1％CNF有机水凝胶经过10次压缩循环达到75％的应变，仍可以恢复到原始形状而最终应力没有明显衰减。
PVA-CNF有机水凝胶的离子电导率
如图3所示，通过电化学阻抗谱（EIS）表征了NaCl含量变化的有机水凝胶的离子电导率。随着NaCl浓度增加，所有有机水凝胶的离子电导率增加约20倍。对于相同NaCl浓度的有机水凝胶来说，离子电导率随CNF含量的增加而增加，这是由于将CNF引入PVA有机水凝胶形成了更多层次的多孔结构，同时CNF表面羧基吸引抗衡离子，为离子转移提供更多的跳跃位置，从而使CNF在增强有机水凝胶的离子电导率方面起到促进作用。
PVA-CNF有机水凝胶的耐冻性
实验观察到即使在-70℃下，有机水凝胶仍保持透明和柔性，并且可以承受循环扭曲，弯曲和折叠，如图4所示。这是由于DMSO分子可以与水以1：2的比例形成氢键，从而形成稳定的六环构型而抑制冰晶的形成。-70℃时，PVA-1％CNF有机水凝胶的离子电导率为1.1 S m-1。这显著高于已报道过的抗冻有机水凝胶。值得注意的是，即使在-70℃的温度下，LED仍可能发光，这种优异的耐冻性和离子导电性为其在极端条件下的应用提供了广阔前景。
PVA-CNF有机水凝胶的传感性能
由于PVA-CNF有机水凝胶的高弹性和应变引起的电阻变化，它有可能被用作电阻型传感器。如图5所示，在25–150％应变下，PVA-CNF有机水凝胶的电阻变化与拉伸应变成比例，几乎呈线性增加趋势。该水凝胶在高达50％应变的循环拉伸释放测试下的稳定性表明，应变感测特性在超过500个循环中稳定，电阻变化几乎没有衰减。
现实生活中的可穿戴传感器演示
由于其优越的机械性能、高离子电导率、出色的感测灵敏度和信号稳定性，PVA-CNF有机水凝胶可以用作可穿戴传感器。如图6所示，基于有机水凝胶的压力传感器也可用于实时检测复杂的人体运动，还可以用于检测医疗保健应用中的如手腕上的径向脉冲等细微变化，同时还显示出监视复杂肌肉运动的能力。
结论
在本篇文章中，研究人员通过溶胶-凝胶转变方法制造的新型PVA-CNF离子导电有机水凝胶具有出色的机械性能、高电导率、高透明性和耐冻性。即使在-70℃时，有机水凝胶仍能保持柔韧性和导电性，这种材料设计验证了CNF在增强机械性能和离子电导率方面的协同作用，为解决离子导电水凝胶在强度、韧性和离子电导率方面长期存在的难题提供了解决方案。这种离子导电水凝胶在可穿戴电子设备等方面具有广泛应用。
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