高强度可压缩多功能芳纶纳米纤维/碳纳米管复合湿凝胶：强度与韧性的可调控设计

研究人员针对传统水凝胶机械性能差、导电填料引入导致导电性下降的问题，通过甲醇诱导芳纶纳米纤维(ANFs)梯度再质子化行为，构建了具有分级结构的ANF/碳纳米管(CNTs)复合湿凝胶。该材料压缩应力达3.25 MPa，电导率1.88 S/m，创导电湿凝胶力学性能纪录，其可调控的电阻-形变响应为高载荷感知传感器提供了新思路。

　　

在功能材料领域，兼具优异机械性能和导电特性的凝胶材料一直是研究热点。传统水凝胶虽具有生物相容性优势，但其脆弱的网络结构难以承受高载荷；而添加导电填料又往往牺牲弹性。更棘手的是，材料强度与韧性通常呈此消彼长的关系，这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境严重制约了其在柔性电子、人工肌肉等领域的应用。

哈尔滨工业大学的研究团队在《Polymer》发表的研究中，另辟蹊径地利用芳纶纳米纤维(ANFs)和碳纳米管(CNTs)构建了革命性的复合湿凝胶。他们发现甲醇作为质子供体可精准调控ANFs的再质子化程度，通过调控氢离子浓度实现了材料从分子结构到宏观性能的"量体裁衣"。更巧妙的是，利用ANFs与CNTs之间的强相互作用，采用浸泡法构建了具有二元分级网络的"刚柔并济"结构。

研究团队主要采用三步关键技术：通过调控KOH/DMSO体系实现ANFs的可控制备；利用甲醇浓度梯度控制再质子化程度；采用原位自组装构建ANF-CNTs互穿网络。实验选用Kevlar K69纤维和直径20-30 nm的CNTs作为原料，通过pK_a值调控实现了氢离子的程序化吸附。

【RESULTS AND DISCUSSION】部分揭示了材料性能的调控机制：

1. 再质子化程度直接影响ANFs分子链间氢键密度，当氢离子浓度使溶液pH低于ANFs的pK_a时，会触发氮原子上氢离子的阶梯式吸附。
2. 适度再质子化形成的蜂窝状网络使湿凝胶压缩应力达3.25 MPa，杨氏模量4.18 MPa，远超同类导电凝胶。
3. CNTs网络不仅提升电导率至1.88 S/m，还通过"弹簧-阻尼"效应协同增强弹性，200次压缩循环后仍保持90%性能。

【CONCLUSIONS】部分指出，该研究首次阐明了再质子化程度与ANFs宏观力学性能的定量关系，创制的材料兼具高强度（可承受汽车碾压）和高灵敏度（0.1%应变响应）。其独特的电阻-形变响应特性在重型机械状态监测、智能假肢等领域展现出应用前景。国家自然科学基金等项目的资助支持了这项从基础原理到应用探索的全链条创新研究。

特别值得注意的是，Wenxin Cao和Xiaolei Wang等作者通过分子动力学模拟证实，再质子化过程中氢键的"多米诺效应"是材料获得超高韧性的关键。这种仿生设计思路为开发新一代智能材料提供了重要借鉴，相关技术已申请中国发明专利。