《CEJ》复旦大学武培怡一石三鸟：以多层MXene为引发剂、交联剂和导电填料的一步设计高弹性和导电水凝胶电子

【聚焦】

•一种可产生自由基物种的新型多层 MXene (m-MXene) 引发剂。

•m-MXene 同时充当引发剂、交联剂和导电填料。

•所得导电水凝胶表现出优异的性能。

【摘要】

与 MXene 结合的导电水凝胶是用于电子产品中用于人机交互的有前途的界面材料，其中 MXene 纳米片通常充当多功能纳米填料，以带来改进的性能和新的功能。然而，很少有人关注它们对 MXene 聚合物水凝胶凝胶化的贡献。最近，复旦大学等科研人员报道了一种新的多层 MXene (m-MXene) 引发剂及其在制备高弹性和导电水凝胶中的三重作用。新的 m-MXene 引发剂可以产生羟基自由基物种，通过电子顺磁共振测试验证，并引发一系列无光、热或共引发剂的乙烯基单体的聚合。

图1. a) m-MXene与单体一步混合制备高弹性导电水凝胶的示意图，其中m-MXene作为引发剂、高官能度交联剂和导电填料，同时在凝胶过程中发生剥离. b) m-MXene 的 FESEM 图像和相应的 EDS 图像。c) m-MXene和 Ti₃AlC₂ 在不同时间分散在水中的 EPR 光谱，DMPO 作为自旋捕集剂。d) 通过将单体与 m-MXene (2 wt%) 混合后的储存 (G’) 和损失 (G”) 模量的流变测量记录的实时凝胶化过程。e) 基于流变学结果计算的 MD-水凝胶的聚合时间。f) 分别为 m-MXene、PDMAEA-Q 和 MD-水凝胶的 FTIR 光谱。g) MD-水凝胶的 FESEM 图像，剥落的 MXene 薄片被着色以方便目视观察（黄色）。h) 作为 m-MXene 含量的函数的 MD-水凝胶的电导率。i) MD-水凝胶（0.5 wt%）在 200 天后的电导率，显示出优异的电稳定性。

在此基础上，只需一步混合 m-MXene 和一种阳离子单体，单体在 m-MXene 的引发和交联的同时，在几分钟内即可形成高质量的复合水凝胶，具有高拉伸性的综合优点，弹性、低滞后性、粘合性和自愈性能。巧妙的是，在凝胶化过程中，m-MXene被原位剥离形成组织良好的导电网络，聚合物的空间稳定性进一步增强了MXenes的稳定性。结合便捷的方法和优异的机电行为（例如，超快响应和超宽工作范围），基于这种导电水凝胶制造了一种新型无线六像素盲文打字机，展示了其在柔性电子产品方面的辉煌前景。

图 2.a) 用保鲜膜包裹的 MD-水凝胶球被击打为“乒乓球”。b) 两条交织的 MD-水凝胶条的可逆手动拉伸。c) 由弹性 MD-水凝胶条编织的网格网。d) 显示 MD-水凝胶出色回弹力的照片。e) 具有不同 m-MXene 含量的 MD-水凝胶的拉伸曲线。f) MD-水凝胶的压缩应力-应变曲线。g) 相同 MD-水凝胶在 300% 张力下进行 10 次循环的拉伸恢复循环，两次循环之间的恢复时间为 60 秒。h) 相同 MD-水凝胶的压缩-松弛循环，在 50% 的固定压缩下进行 20 次循环，两次循环之间的恢复时间为 30 秒。

图 3.a) 机械上（自愈时间为 24 小时）和 b) MD-水凝胶的电自愈能力。c) MD-水凝胶粘附在塑料、玻璃、陶瓷和不锈钢上。d) MD-水凝胶与不同基材的粘合强度。e) 目前报道的 MXene 相关水凝胶在制备时间、拉伸性、弹性、自愈性能和导电性方面的比较。

图 4.a) MD-水凝胶传感器在微小触摸时的快速响应和恢复时间。b) MD-水凝胶在施加张力和 c) 压缩时的电阻变化。d) 在手动拉伸和 e) 压缩时记录蓝色 LED 亮度变化的图片。f) MD-水凝胶在不同菌株下的电阻变化。g) MD-水凝胶在固定应变（100%）下不同频率下的与频率无关的电阻变化。

图 5. a) 无线盲文打字机的示意图。b) 英文字母的盲文映射，其中蓝点和白点分别代表凸点和平点。c) 无线盲文打字机实时运行的照片。实时记录多通道电阻变化以传达不同的盲文信号，例如 d) “OK”、e) “SOS”和 f) “HELLO”。

【总结】

该团队报告并研究了一种新的引发剂（m-MXene），它具有引发一系列乙烯基单体自由基聚合的能力。羟基自由基与蚀刻剂 (HF) 的浓度呈正相关。基于这一发现，通过一步混合 m-MXene 与阳离子单体 DMAEA-Q 来制造混合水凝胶。在材料制备方面，充分利用了多层 MXene 的多重作用，无需修改，避免了电气性能的妥协。在分子设计方面，充分利用了MXene的固有特性，通过合理的分子设计，在简单的系统中实现了卓越的综合性能。这种 MD-水凝胶表现出突出的电气和机械性能，包括拉伸性、弹性、粘附性、自愈行为和与生物组织相匹配的适度模量，这得益于 MXene 和聚合物链之间的多种非共价相互作用。与其他 MXene 相关的水凝胶不同，这里的 MXene 不仅是导电填料或增强相，而且还是引发剂和高功能交联剂。更有趣的是，m-MXene 在聚合过程中被原位剥离并均匀分布在聚合物基质中。这些有利特性的融合使 MD-水凝胶成为有望用于人机交互的界面材料，在很宽的应变和压力范围内表现出高稳定性。团队相信，这项工作不仅为 MXene 复合聚合物开辟了更多的可能性，具有合理的分子设计和简便的制备方法，而且促进了具有更多人工智能的无缝人机界面的构建，造福于人类。

相关论文以题为One stone for three birds: One-step engineering highly elastic and conductive hydrogel electronics with multilayer MXene as initiator, crosslinker and conductive filler simultaneously发表在《Chemical Engineering Journal》上。通讯作者是复旦大学武培怡教授。

参考文献：doi.org/10.1016/j.cej.2021.132515