超分子聚合物水凝膠在柔性傳感、可穿戴電子、人造皮膚等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。然而，目前大多數超分子聚合物水凝膠由于其較差的機械性能和化學(xué)穩定性而無(wú)法滿(mǎn)足極端環(huán)境下苛刻的使用要求。因此，構筑能用于多種極端工況下的高強度水凝膠在推進(jìn)超分子水凝膠發(fā)展上具有重要意義。

黃渤海實(shí)驗室精密制造材料與技術(shù)團隊在前期針對水凝膠結構設計和先進(jìn)制造的研究基礎上（Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2210395; Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2108845; Small 2023, 2206819; Chem Eng J. 2023, 457, 141268），近期以制備具有優(yōu)異耐候性的超強水凝膠為目標，通過(guò)堿誘導去質(zhì)子化和離子簇的解離與重鑄，結合凍融循環(huán)制備了具有致密超分子聚合物網(wǎng)絡(luò )的聚乙烯醇（PVA）水凝膠。該方法制備的PVA水凝膠具有高強度（9.64±0.5MPa）、可壓縮性（負載物體超過(guò)其重量的約10000倍）、可回收性、耐多種溶劑性、抗凍性（即使在-40°C下也保持柔性和導電性）及諸多優(yōu)異性能。

圖1 PVA水凝膠的制備流程圖及流變學(xué)曲線(xiàn)

通過(guò)改變水凝膠中離子液體的含量可以控制體系中離子簇、絡(luò )合物的密度以及PVA分子鏈的結晶度。超分子聚合物網(wǎng)絡(luò )在受外應力時(shí)可以首先耗散掉形變過(guò)程中產(chǎn)生的能量，其次體系內部的分散的纖維素納米纖維對體系也具有增強作用。這使得該工作得到的PVA水凝膠表現出更高的極限應力和更好的可壓縮性，遠超先前報道的PVA水凝膠和超分子聚合物的力學(xué)性能。

圖2 PVA水凝膠的力學(xué)強度示意圖

根據以往研究，耐酸堿的水凝膠鮮有報道，尤其是在pH=1或pH=13的強酸/堿環(huán)境中。本工作中所得的PVA水凝膠在強酸/堿環(huán)境中浸泡12h后仍能維持浸泡前的力學(xué)強度，這處于水凝膠化學(xué)穩定性研究的前沿。此外，抗凍和水煮實(shí)驗證明該PVA水凝膠的有效工作溫域為-50℃-50℃之間，超過(guò)一般文獻報導值。

圖3 PVA水凝膠在各種極端工況下的穩定性比較

上述研究成果以“Ion Clusters-Driven Strong and Acid/Alkali/ Freezing-Tolerant Conductive Hydrogels for Flexible Sensors in Extreme Environments”為題發(fā)表在Adv. Funct. Mater.上。煙臺先進(jìn)材料與綠色制造山東省實(shí)驗室為本論文第一單位，實(shí)驗室呂陽(yáng)博士為論文第一作者，王曉龍研究員、姬忠瑩助理研究員為論文通訊作者。

  以上工作得到“泰山學(xué)者特聘專(zhuān)家”項目、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、山東省自然科學(xué)基金等項目的支持。

供 稿 / 姬忠瑩

編 輯 / 黃秋平

審 核 / 王曉龍 鄒  強