导电水凝胶的相关研究为柔性、可拉伸的可穿戴设备的研发提供了新的发展方向。但水凝胶存在着一个显著的先天不足：它在于它会在寒冷的环境下冻结而导致相关器件失效。因此，开发出适用于寒冷环境的导电凝胶材料备受人们的期待。
日前，长春工业大学高光辉教授课题组通过使用带有阴离子和阳离子的单体，在水-甘油混合溶液下经自由基共聚，得到一种具有高伸长率、快速自愈合、高粘附性的抗冻导电凝胶，并将其应用在运动传感及信号传输等领域。这一研究使用廉价的原料和简单的工艺得到了综合性能优异的导电凝胶，展现出在未来可穿戴设备发展中应用的潜力。
图1 拉伸性能、导电性能和低温下的抗冻性能
力学性能测试表明，这种导电凝胶展现出极高的断裂伸长率。其最高能够承受超过自身70倍的伸长。同时，在低温环境下这种水凝胶仍然能够保持拉伸性和导电性能，流变测试表明这种导电凝胶在-20°C的环境下仍然保持凝胶的状态，表现出良好的抗冻性。
图2 自愈合性能及在不同温度下的愈合效率
自愈合性能的研究表明这种导电凝胶有着优秀的快速自愈合性，其自愈合过程仅需几秒钟，且在低温环境下也保持自愈合性能。尽管自愈合性能随温度的下降而下降，但即便在-20°C的温度下其自愈合效率也能达到85%。
图3 多界面粘附性能展示
这种凝胶还具有多界面粘附的能力。它与生活中常见的多种材料以及皮肤之间有着较强的粘附性能。值得一提的是，其与聚四氟乙烯之间有强的粘附作用，这一强的粘附力甚至能够允许提起重达2.5kg的重物。
图4 导电性能展示
之前的研究中已经展示了这种凝胶在低温下的导电性能。进一步的实验表明其能够在-20°C的环境下点亮LED。而且，这种凝胶还能够承受高电压的导电环境。它甚至能够在220V的市电环境下点亮一个35W的灯并稳定工作。优异的稳定性允许它能够在宽的工作电压范围下稳定工作。
图5 运动传感性能展示
利用导电凝胶拉伸后阻抗随长度变化的特性，可将这种导电凝胶用于运动传感。实验表明这种凝胶能够监测手指的运动，且能够通过无线连接将监测数据实时的传输到智能手机等设备上。这对未来基于无线的柔性、可拉伸可穿戴设备的设计开发提供了潜在的应用方案。
图6 信号传输能力展示
这种导电凝胶还能够用来传输信号。实验中，这种导电水凝胶被用来连接网线并实现了网络传输。结果表明，使用导电凝胶作为信号传输介质没有对传输性能产生影响，网络延迟测试表明其网络延迟与传统网线的网络延迟无异。
这一研究展现出了该导电凝胶电力输送、运动传感及信号传输等方面的应用价值，同时具备在低温环境下的工作能力。这些特性将为推进新一代柔性、可拉伸可穿戴设备的开发提供帮助。
相关工作以Conductive organohydrogels with ultra-stretchability, anti-freezing, self-healing and adhesive properties for motion detection and signal transmission为题近日发表于ACS Applied Materials &Interfaces（DOI: 10.1021/acsami.8b17440）。第一作者为博士研究生杨永祺，通讯作者高光辉教授。
全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b17440
