《Sci.Adv.》用于软机器和电子产品的水凝胶的瞬时韧性黏附
自然界中的生物体，从完全柔软的腔肠动物和软体动物到脊椎动物，都是由凝胶、纤维等结构的各种生物材料融合而成。虽然技术上不能完全复制这些材料的复杂性，但是强韧水凝胶的独特性质推动了柔性机器和柔性电子产品的发展，并催生了新一代的仿生系统。通过水凝胶与弹性体、聚合物、金属或矿化组织等固体材料的复合，可以实现人造组织的高度功能化。然而，克服不同物质与富含水的水凝胶粘合时的低界面韧性是极具有挑战的。最近有文献报道通过自组装对基质表面官能化实现了韧性凝胶与无孔固体表面之间牢固粘合；通过紫外（UV）引发聚合实现了与弹性体的粘合。然而，这些方法都需要对基质表面进行较长时间的固化过程，而这对一些敏感的表面难以实现。因此，它们不适用于广泛的基质，并且缺乏在骨折愈合和其他对时间有严格要求的应用（如快速成型和高通量制造）中至关重要的即时性。 最近，约翰开普勒林茨大学的Martin Kaltenbrunner（通讯作者）等人报道了一种能将水凝胶坚固地粘合在各种基质表面的方法，该方法首先将氰基丙烯酸粘合剂分散到非溶剂中，随后将分散液旋涂至基质表面，最后将水凝胶按压在基质上。以这种方法制备的复合体界面韧性能达到2000 J/m2。研究者们还利用这种方法制备了柔性传感器、发电机、自适应透镜和柔性电子设备如可伸缩电池、自供电电路和自动触发药物递送的电子皮肤。相关成果以“Instant tough bonding of hydrogels for soft machines and electronics”为题发表在Science Advances上，Daniela Wirthl和Robert Pichler是本文的共同第一作者。 图文导读图1：将水凝胶即时紧密地粘合到各种材料上。A. 粘合方法示意图；B. 粘合机理示意图；C. 导电水凝胶粘合效果图；D. 导电水凝胶修复前（蓝）后（红）的归一化电阻-单轴应变曲线；E-G. 方形水凝胶（蓝色）粘合到透明弹性体上。H-J. 镀铜的导电PET膜粘合在预拉伸水凝胶上。 从A图中可看出，粘合剂分散液能粘合(ⅰ).水凝胶、(ⅱ).水凝胶与弹性体及 (ⅲ).水凝胶与可弯曲的薄膜；如图B所示，粘合剂单体扩散到水凝胶和弹性体网络中后发生聚合，粘合剂分子链与两个网络发生了物理缠结；C、D两图说明了剪断的导电水凝胶用本文方法修复后几乎完全恢复了机械性能和导电性；E-G图表示了将水凝胶与弹性体粘合在一起后，可以在面积上拉伸了1000%而不破坏；H-J图展示了将镀铜PET膜粘合到预拉伸水凝胶上的照片。图2：即时粘合的界面韧性、光学透明性和可拉伸性。A. 90°剥离测试示意图；B. PVA-isoprene（绿）、PAAm/alginate-PET（浅蓝）和PHEMA-Ecoflex（紫）复合体的界面韧性；C.PHEMA（紫）、PAAm/alginate（浅蓝）和PVA（绿）水凝胶对各种基质的界面韧性；D. VHB（黄）、PAAm水凝胶（蓝）和VHB/PAAm复合体的透光度与吸光度曲线；E. VHB-PAAm复合体在拉伸后的透光率曲线。 A图展示了90°剥离测试的示意图和照片，从中可看出水凝胶在测试时发生了内聚破坏；C图总结了PHEMA、PAAm/alginate、PVA三种水凝胶在不同基质上的界面韧性，从中可看出，PHEMA、PAAm/alginate、PVA三种水凝胶的界面韧性分别达到了736 ± 112 J/m2、1427 ± 89 J/m2和2208 ± 186 J/m2；D图展示了VHB、PAAm和VHB/PAAm三者的透光率，说明了本方法对材料的光学透明性无明显影响。图3：柔性自适应透镜和具有瞬时粘合水凝胶电极的能量收集器。A-C. 自适应透镜的示意图、实物图和焦距-电压曲线；D-E. 激光轨迹的变化表明了透镜的焦距受电压控制；F. 用可变形弹性体-水凝胶电容器将机械能转换为电能的示意图；G. 可变形球形弹性体-水凝胶电容器的照片；H-J. 可变形电容器的归一化电容-拉伸比曲线、一次形变循环的机械能和电能变化图。 B图中自适应透镜内字母大小的变化说明了给透镜加上6.5Kv电压后其焦距变大；C图表明电压增加到6.5kV后透镜焦距变大了110%；H、J两图表示了可变形球形弹性体-水凝胶电容器一次变形循环的机械能和电能变化，其能量转化率约为11%。图4：韧性可拉伸的电池和自供电的可拉伸电路。A. 可拉伸电池结构示意图；B. 上下架构（红点）和左右架构（蓝点）可伸缩电池的奈奎斯特图；C. 0％（红色方块）和50％（蓝色三角形）应变下的电压与放电电流；D-F. 自供电可拉伸LED电路的示意图、0%应变与50%应变、90°卷曲下的照片。 B图的奈奎斯特图说明了上下架构的电池比左右架构的电池内阻小；C图中，由于拉伸后水凝胶分隔层变薄，因此内阻减小；E、F图表明可拉伸电路在拉伸、扭曲后可以保持功能的完整性。 图5：水凝胶电子皮肤。A. 水凝胶电子皮肤示意图；B. 水凝胶电子皮肤实物图；C-D. 启用四个加热器的电路有限元模拟与红外热成像照片；E-F. 用手机蓝牙控制贴在手腕上的电子皮肤打开四个加热器与加热450 s后的红外热成像图片；G-H. 红外热成像仪与温度传感器测量的加热器温度随时间变化曲线；I. 热触发药物递送的概念图，其中药物被包裹在脂质壳中；J. 绿色食品着色剂在水凝胶基质中的热触发扩散图像。 C、D图表明对四个加热器做有限元模拟得到的热量分布与红外热成像照片上的热量分布拟合得很好；E、F图表示了在手机上打开加热器开关后，通过热成像仪观察到加热器温度上升，说明电子皮肤成功地运行起来；从J图中可看出，加热250min后，绿色染料扩散到水凝胶中，证明了热触发药物递送的可行性。小结 本文介绍了一种将水凝胶快速粘合到各种材料上的简便、通用的方法，用这种方法得到的复合体的界面韧性超过了凝胶固有的断裂强度。作者们用这种方法制作了柔性机器和电子设备，如自适应透镜、柔性发电机、柔性电池和水凝胶电子皮肤。说明该方法的应用范围囊括了从机器人、可再生能源的收集、电子产品和可穿戴设备到新一类医疗工具和健康监护设备等诸多方面。全文链接：http://advances.sciencemag.org/content/3/6/e1700053来源：高分子凝胶前沿研究进展
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