最新《NatureElectronics》：一种柔软、可自修复的导电有机凝胶

柔软、可拉伸和导电的自修复材料在软体机器人、柔性电子设备和需要与天然生物组织的机械性能相匹配的医疗设备中具有潜在的用途。其中，自修复水凝胶因其高变形能力、低刚度、可回收性和生物相容性而备受关注。然而，它们的导电性不佳，远低于数字电子产品所需要达到的指标。为了提高水凝胶的导电性，研究人员常常在其中添加导电填料，但是这会对机械性能造成不利的影响。为避免这种情况的发生，一种部分脱水方法被发明出来，它可以赋予水凝胶高导电性的同时不降低其机械性能。但是，这种方法有一个致命缺点——水凝胶不能进行机械或电性能的自修复。

鉴于此，来自卡内基梅隆大学的Carmel Majidi教授通过在聚（乙烯醇）-硼酸钠凝胶（PVA-Borax）中嵌入Ag微薄片和Ga基液态金属（LM）微滴的渗透网络，制备了一种可自修复的导电有机凝胶复合材料。它不仅具有7×104S·m-1的高导电率以及快速高效的自修复能力，还表现出理想的机械性能，例如低杨氏模量(~20 kPa)和高拉伸性(>400%应变)。此外，通过使用乙二醇（EG）代替水作为溶剂，还赋予了该有机凝胶抗干燥能力。该导电有机凝胶有望在可重构柔性电路和用于肌电图(EMG)传感的可重构生物电极中使用。该论文以题为“A self-healing electrically conductive organogel composite”发表在Nature Electronics上。

图1. 自修复导电有机凝胶复合材料的制备及应用

有机凝胶的机械性能、电性能及自修复能力

作者发现有机凝胶的储能模量（E'）比损耗模量（E''）大约高一个数量级，表明其比液体更加坚固。为了验证导电有机凝胶复合材料的柔顺性和可变形性，作者对其进行了应力-应变测试，结果发现由于金属填料的体积分数相对较低（~ 23% vol），复合材料仍然表现出低弹性模量和高柔韧性。

硼砂中离子的溶解和金属填料的存在使得复合材料具有离子导电性。然而，由于不存在电渗透通路，材料的电导率有限（0.082 S·m-1）。在干法退火之后，由于导电填料之间的距离变小形成了电渗透通路，复合材料的电导率增加到了7×104S·m-1。有机凝胶复合材料还具有机电耦合效应，当复合材料被拉伸时，其电阻会增加。三个测试样品的平均应变系数(GF)为GFmean=10.1。此外，这种机电耦合比其他同时包含LM和Ag的柔性导电材料更明显，作者认为这可能是导电颗粒的体积分数相对较低和渗透网络的稀疏性。

PVA-Borax可以通过动态和可逆氢键交联，实现高效（高达100%）快速自修复。作者比较了原始材料和在室温下自修复5min后的材料应力-应变特性曲线，发现有机凝胶复合材料的机械性能自修复效率最高可达到96.4%。作者还测试了复合材料的电性能自修复效率（θH?= (σb/σb0) × 100%，σb为自修复后的电导率，σb0为原始电导率），结果发现单个周期内，其自修复效率高达95%，三个周期后的效率则达到了86%。并且，自修复后的材料可以承受80%的应变，而不会破坏填料构成的导电通路。

图2. 有机凝胶的机械性能、电性能及自修复能力

自修复导电有机凝胶复合材料的应用演示

作者首先创建了一个受蜗牛启发的爬行机器人，其由一个机载电池和一个嵌入软硅胶外壳中的电动机组成。电机使用一条导电有机凝胶复合材料条连接到车载电池，由于其自修复能力，该复合材料条可以在断线后恢复连接。在连接器被部分切断后，速度降低了50%。手动重新连接切断的导电条后（操作时间少于1秒)，蜗牛机器人的爬行速度增加，恢复到初始速度的68%。随后，作者将复合材料导电条分成三部分，中间部分连接到屋顶安装的发光二极管(LED)，其余部分用于恢复与电机的连接，这展示了该材料可以作为可重构电路模块化构建块的潜力。最后，作者将该导电凝胶复合材料用作可重构生物电极，并通过EMG测量身体不同部位的肌肉活动。结果表明，该材料具有获得高信噪比EMG读数的能力，并且可调整其大小和形状以适应身体不同位置。

图3. 自修复导电有机凝胶复合材料的应用演示

结论：作者在此报道了一种基于聚乙烯醇-硼酸钠的有机凝胶复合材料。该复合材料具有高导电性(7×104S·m-1)、低刚度(杨氏模量~20 kPa)、高拉伸性(应变极限为>400%)以及机械和电性能自修复能力，其有望应用于软体机器人和柔性电子设备等领域。