北理工团队在导电水凝胶领域取得新进展

　　近日，北京理工大学化学与化工学院赵飞教授研究团队在国际顶级期刊《 Angew. Chem., Int. Ed. 》发表题目为“Boosting Electronic Charge Transport in Conductive Hydrogels via Rapid Ion-Electron Transduction”的研究论文(DOI：10.1002/anie.202506560)，论文通讯单位为北京理工大学，第一作者为北京理工大学的博士生李洲。
 

　　导电水凝胶在可植入生物电子设备构造中至关重要，如监测人体健康的体内传感器，既能贴合组织又减少免疫排斥。然而，水凝胶中的水分子就像“捣乱分子”，其会破坏导电组分之间的连接，导致导电性比干燥状态下降数倍。此外，传统导电水凝胶依赖离子导电，而离子在水中的迁移速度远低于电子，这使得它们在高频信号传输中“力不从心”，无法满足快速电信号传输的需求。如何在水分子存在下，让水凝胶内部实现快速的电荷传输，成为领域内的关键难题。
 

　　北京理工大学赵飞教授团队设计了一种名为“分级非均质网络”(HIN)的特殊水凝胶结构，就像在材料内部搭建了“电子高速公路”(图1a)，打破了导电水凝胶内部离子主导电荷传输机制的传统认知。具体而言，该HIN结构水凝胶的组成包括：1)柔软的“水合PSS网络”由PSS聚合物链相互缠绕形成，就像一张弹性十足的 “水网”，赋予材料柔韧性和保水性；2)导电“PEDOT:PSS多晶相”中，PEDOT微晶像“铺路砖”，并通过致密的PSS聚集体桥接，形成相互交错的导电网络。更巧妙地，PEDOT多晶相的内部应力限制了周围PSS聚集体的水合程度，形成了一个“超高离子浓度微环境”。当施加电场时，这一环境就像“润滑剂”，大幅降低电子在PEDOT微晶之间跳跃的能量障碍，促进电子跳跃(图1b)，从而在水凝胶中形成以电子主导的电信号快速传输通路，而非像传统水凝胶那样依赖缓慢的离子迁移。该研究通过调控聚合物网络的微观结构，在水凝胶中构建电子主导的电荷传输路径，为高频柔性电子器件及超灵敏生物传感器的开发提供了新策略。
 

图1. HIN结构设计概念的示意图
 

　　作者通过多种表征手段系统揭示了HIN水凝胶的分层非均匀结构特性。拉伸曲线的分阶段非线性应力特征，印证了非均质分级网络各相的协同作用，为网络结构的成功构建提供了力学佐证。与此同时，采用TEM、WAXS、Raman、AFM以及SEM对其进行系统的表征，进一步证明HIN结构的成功构建。
 

图2. HIN结构的系统表征
 

　　作者通过交变信号传输测试、I-V特性曲线、在离子环境中电信号传输稳定性以及电化学性能测试，进一步揭示HIN水凝胶内部存在电子主导的电荷传输通路，以及高效的界面离子-电子转导特性。
 

图3. 电信号传输行为和界面动力学行为测试
 

　　通过设计分级非均质结构实现了离子-电子转导的“双重加速”：既实现了电子主导的快速电荷传输行为，又能将界面的离子信号即时高效的“翻译”。这种“双重加速”让HIN凝胶能实时读懂植物的“口渴信号”。将HIN水凝胶作为的微型电极植入植物叶片后，其能以超高灵敏度实时捕捉植物内部的渗透压变化。
 

图4. 植物渗透压的监测
 

　　结语：这项研究开创了一种普适性的材料设计策略：通过调控聚合物网络的微观结构，在含水环境中构建电子主导的电荷传输路径。该研究打破了水凝胶依赖离子迁移主导电荷传输的传统机制，为高频柔性电子器件及超灵敏生物传感器的开发提供了新策略。