基于碳点的多金属氧酸盐导电水凝胶，用于制造兼具高导电性和优异机械韧性的柔性传感材料

《Journal of Colloid and Interface Science》：Carbon-dots tailored polyoxometalate-based conductive hydrogels for flexible sensing materials with both high conductivity and exceptional mechanical toughness

本研究通过简便的一步合成法制备了兼具高质子电导率（2.63×10?1 S cm?1）、优异机械性能（拉伸应变631%，韧性3976.85 kJ m?3）和高效抗菌性的导电水凝胶PSPHC。该材料采用PVA/SA半互穿网络，整合多孔氧化金属簇（POMs）和碳点（CDs），其中POMs作为导电填料和抗菌剂，CDs增强机械性能并促进质子传导。实验证明，PSPHC在可穿戴应变和温度传感器中表现出高灵敏度和稳定性，为柔性电子器件开发提供了创新策略。

　　这项研究聚焦于开发一种具有优异导电性、高强度和有效抗菌性能的柔性导电水凝胶，旨在满足可穿戴传感器对材料性能的高要求。水凝胶因其独特的水分子网络结构和良好的机械性能，已成为柔性电子设备中备受关注的材料之一。然而，传统的导电水凝胶往往面临诸多挑战，例如如何在保持材料柔韧性的同时提升导电性，如何增强其机械强度，以及如何实现有效的抗菌功能。这些问题限制了水凝胶在可穿戴传感器等实际应用中的表现，因此，开发一种能够同时具备这些优点的新型水凝胶成为当前研究的重要方向。

研究人员通过一种简便的一锅法合成了名为PSPHC的导电水凝胶。该水凝胶以聚乙烯醇（PVA）和海藻酸钠（SA）构建半互穿网络结构，采用水和聚乙二醇（PEG）作为二元溶剂系统。同时，将聚氧金属酸盐（POMs）和碳点（CDs）引入该网络中，以协同增强其导电性、机械性能和抗菌能力。POMs作为主要的导电填料，其丰富的质子和氧原子表面使其成为高效的质子导体，而CDs则通过促进氢键形成和提高网络交联密度，进一步增强了水凝胶的机械性能。此外，CDs还充当桥梁分子，减少POMs之间的距离，促进质子跳跃，从而提升导电性。这种设计不仅优化了材料的物理和化学性能，还为可穿戴传感器的应用提供了新的思路。

在实际应用方面，PSPHC水凝胶表现出卓越的拉伸性能，拉伸应变超过630%，拉伸强度达到1422.70 kPa，韧性高达3976.85 kJ/m3。这些机械性能使其能够承受复杂的形变，适用于需要频繁弯曲、拉伸或折叠的可穿戴设备。同时，其质子导电性达到2.63 × 10?1 S/cm（在25°C下），这在柔性导电材料中属于较高水平，有助于实现高灵敏度的传感器。更为重要的是，PSPHC水凝胶具有显著的抗菌能力，能够有效抑制细菌的生长，从而提升其在生物医学应用中的安全性与长期稳定性。

在抗菌性能方面，POMs通过多种机制发挥作用，包括破坏细菌细胞膜、干扰代谢过程以及产生活性氧物种（ROS）。这些作用机制使得POMs不仅能够作为导电填料，还能在一定程度上防止细菌感染，提高材料的生物相容性。而CDs则通过表面功能化，增强了与POMs之间的相互作用，进一步优化了材料的抗菌效果。通过将这两种材料结合使用，研究人员成功实现了在单一材料中同时具备高导电性、高强度和抗菌能力的目标，为可穿戴传感器的设计提供了重要的材料基础。

在可穿戴传感器的应用中，PSPHC水凝胶被用于构建应变传感器和温度传感器。实验结果表明，基于PSPHC水凝胶的传感器具有高灵敏度、良好的稳定性以及出色的实时响应能力，能够准确检测人体运动和体温变化。这些特性使得PSPHC水凝胶在健康监测、运动追踪和智能医疗等领域展现出广阔的应用前景。例如，它可以用于实时监测人体关节活动、肌肉运动或皮肤温度变化，从而为个性化健康管理和运动康复提供支持。

从材料科学的角度来看，PSPHC水凝胶的设计策略具有重要的创新意义。传统上，导电水凝胶的设计往往需要在导电性、机械性能和抗菌能力之间做出权衡，而PSPHC水凝胶通过引入POMs和CDs的协同作用，成功克服了这一难题。POMs提供了高效的质子导电通道，而CDs则通过增强网络结构和促进质子跳跃，进一步提升了导电性。同时，CDs的引入不仅提高了水凝胶的机械强度，还通过其表面功能化增强了与POMs的相互作用，从而改善了抗菌性能。这种多组分协同设计的方法为开发高性能柔性材料提供了新的思路，也为未来可穿戴设备的材料创新奠定了基础。

此外，PSPHC水凝胶的制备过程简单高效，符合大规模生产的需求。这种一锅法的合成方式避免了复杂的步骤和高昂的成本，使得材料的制备更加经济可行。同时，其成分均来源于天然或环保材料，具有良好的生物相容性和环境友好性，这在生物医学和智能穿戴设备领域尤为重要。因此，PSPHC水凝胶不仅在性能上具有优势，而且在可持续性和可扩展性方面也表现出色。

在实际应用中，PSPHC水凝胶的高导电性和机械性能使其能够适应多种复杂的使用环境。例如，在人体皮肤上，水凝胶需要具备良好的柔韧性和适应性，以避免对皮肤造成损伤。而PSPHC水凝胶的高拉伸应变和断裂强度正好满足了这一需求，使其能够贴合人体表面并适应各种运动状态。同时，其抗菌能力有助于防止细菌在传感器表面滋生，从而延长设备的使用寿命并确保其安全性。

值得一提的是，PSPHC水凝胶的性能不仅限于单一应用场景。其优异的导电性和机械性能使其在柔性电子、智能服装、健康监测等多个领域都具有广泛的应用潜力。例如，它可以用于开发可穿戴的电子皮肤，实时监测人体生理信号；也可以用于构建柔性电子器件，如柔性电池、柔性显示屏等；甚至可以应用于环境监测，如检测空气或水中的污染物。这些应用表明，PSPHC水凝胶不仅是一种高性能的柔性材料，还可能成为未来智能材料研究的重要方向。

从科学角度来看，这项研究不仅在材料设计方面取得了突破，还为理解POMs和CDs在水凝胶中的协同作用提供了新的视角。通过系统地分析POMs和CDs的物理和化学特性，研究人员揭示了它们如何相互作用以优化水凝胶的性能。这种深入的机理研究有助于指导未来类似材料的设计与开发，推动柔性电子材料的进一步创新。

综上所述，PSPHC水凝胶的开发为可穿戴传感器提供了一种全新的材料解决方案。其卓越的导电性、机械性能和抗菌能力，使其在柔性电子设备中具有重要的应用价值。同时，其简便的制备方法和环保的材料来源，也为其大规模生产和实际应用提供了保障。这项研究不仅展示了材料科学在智能设备领域的最新进展，也为未来的可穿戴传感器设计提供了重要的理论和实践基础。