導(dǎo)電水凝膠在可植入生物電子設(shè)備構(gòu)造中至關(guān)重要，如監(jiān)測人體健康的體內(nèi)傳感器，既能貼合組織又減少免疫排斥。然而，水凝膠中的水分子就像“搗亂分子”，其會(huì)破壞導(dǎo)電組分之間的連接，導(dǎo)致導(dǎo)電性比干燥狀態(tài)下降數(shù)倍。此外，傳統(tǒng)導(dǎo)電水凝膠依賴離子導(dǎo)電，而離子在水中的遷移速度遠(yuǎn)低于電子，這使得它們?cè)诟哳l信號(hào)傳輸中“力不從心”，無法滿足快速電信號(hào)傳輸?shù)男枨?。如何在水分子存在下，讓水凝膠內(nèi)部實(shí)現(xiàn)快速的電荷傳輸，成為領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵難題。
 

　　北京理工大學(xué)趙飛教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種名為“分級(jí)非均質(zhì)網(wǎng)絡(luò)”(HIN)的特殊水凝膠結(jié)構(gòu)，就像在材料內(nèi)部搭建了“電子高速公路”(圖1a)，打破了導(dǎo)電水凝膠內(nèi)部離子主導(dǎo)電荷傳輸機(jī)制的傳統(tǒng)認(rèn)知。具體而言，該HIN結(jié)構(gòu)水凝膠的組成包括：1)柔軟的“水合PSS網(wǎng)絡(luò)”由PSS聚合物鏈相互纏繞形成，就像一張彈性十足的 “水網(wǎng)”，賦予材料柔韌性和保水性；2)導(dǎo)電“PEDOT:PSS多晶相”中，PEDOT微晶像“鋪路磚”，并通過致密的PSS聚集體橋接，形成相互交錯(cuò)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。更巧妙地，PEDOT多晶相的內(nèi)部應(yīng)力限制了周圍PSS聚集體的水合程度，形成了一個(gè)“超高離子濃度微環(huán)境”。當(dāng)施加電場時(shí)，這一環(huán)境就像“潤滑劑”，大幅降低電子在PEDOT微晶之間跳躍的能量障礙，促進(jìn)電子跳躍(圖1b)，從而在水凝膠中形成以電子主導(dǎo)的電信號(hào)快速傳輸通路，而非像傳統(tǒng)水凝膠那樣依賴緩慢的離子遷移。該研究通過調(diào)控聚合物網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)，在水凝膠中構(gòu)建電子主導(dǎo)的電荷傳輸路徑，為高頻柔性電子器件及超靈敏生物傳感器的開發(fā)提供了新策略。
 

圖1. HIN結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念的示意圖
 

　　作者通過多種表征手段系統(tǒng)揭示了HIN水凝膠的分層非均勻結(jié)構(gòu)特性。拉伸曲線的分階段非線性應(yīng)力特征，印證了非均質(zhì)分級(jí)網(wǎng)絡(luò)各相的協(xié)同作用，為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的成功構(gòu)建提供了力學(xué)佐證。與此同時(shí)，采用TEM、WAXS、Raman、AFM以及SEM對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的表征，進(jìn)一步證明HIN結(jié)構(gòu)的成功構(gòu)建。
 

圖2. HIN結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)表征
 

　　作者通過交變信號(hào)傳輸測試、I-V特性曲線、在離子環(huán)境中電信號(hào)傳輸穩(wěn)定性以及電化學(xué)性能測試，進(jìn)一步揭示HIN水凝膠內(nèi)部存在電子主導(dǎo)的電荷傳輸通路，以及高效的界面離子-電子轉(zhuǎn)導(dǎo)特性。
 

圖3. 電信號(hào)傳輸行為和界面動(dòng)力學(xué)行為測試
 

　　通過設(shè)計(jì)分級(jí)非均質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了離子-電子轉(zhuǎn)導(dǎo)的“雙重加速”：既實(shí)現(xiàn)了電子主導(dǎo)的快速電荷傳輸行為，又能將界面的離子信號(hào)即時(shí)高效的“翻譯”。這種“雙重加速”讓HIN凝膠能實(shí)時(shí)讀懂植物的“口渴信號(hào)”。將HIN水凝膠作為的微型電極植入植物葉片后，其能以超高靈敏度實(shí)時(shí)捕捉植物內(nèi)部的滲透壓變化。
 

圖4. 植物滲透壓的監(jiān)測
 

　　結(jié)語：這項(xiàng)研究開創(chuàng)了一種普適性的材料設(shè)計(jì)策略：通過調(diào)控聚合物網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)，在含水環(huán)境中構(gòu)建電子主導(dǎo)的電荷傳輸路徑。該研究打破了水凝膠依賴離子遷移主導(dǎo)電荷傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)機(jī)制，為高頻柔性電子器件及超靈敏生物傳感器的開發(fā)提供了新策略。