液态金属集成纤维素纳米晶/聚丙烯酸双网络水凝胶：面向高性能可穿戴传感与电磁屏蔽的创新材料

为解决传统导电水凝胶难以兼顾高导电性、机械强度与强粘附性的技术难题，上海科研团队创新开发了集成液态金属(LM)、Ti3C2Tx MXene和LiCl的CNC/PAA双网络水凝胶。该材料展现出3.17 S/m电导率、1381%拉伸应变及24.72 kPa粘附力，其传感器件具有3.28的应变系数和131.5 ms响应速度，同时实现37.42 dB电磁屏蔽效能，为下一代可穿戴电子提供了多功能集成解决方案。

　　

在物联网技术迅猛发展的今天，可穿戴电子设备正深刻改变着人机交互、运动监测和健康管理的方式。这些设备亟需兼具皮肤相容性、柔韧性和高灵敏度的新型材料，而传统导电水凝胶往往在机械强度、电导率和粘附性之间顾此失彼。特别是当设备需要同时实现生理信号采集和电磁干扰防护时，现有材料更显得力不从心。这一矛盾在5G时代变得尤为突出——我们的智能手表可能因为材料性能局限，既无法准确捕捉微弱的脉搏波动，又难以抵御周边复杂的电磁环境。

针对这一系列挑战，上海市科学技术委员会资助的研究团队在《Journal of Materials Science》发表了一项突破性研究。研究人员创造性地将液态金属(LM)与二维材料Ti₃C₂T_x MXene、离子导体LiCl协同整合到纤维素纳米晶(CNC)/聚丙烯酸(PAA)双网络结构中，通过界面调控技术解决了液态金属易团聚的行业难题。这项研究主要运用了超声分散稳定液态金属、自由基聚合构建双网络、流变学性能测试等关键技术方法，并系统评估了材料的机电性能与电磁屏蔽效能。

【材料合成与表征】
研究团队首先通过超声处理使LM均匀分散在CNC悬浮液中，利用CNC表面丰富的羟基实现液态金属稳定化。引入MXene和LiCl后，通过MBAA交联剂和APS引发剂触发PAA聚合，最终形成具有互穿网络结构的PALCM水凝胶。傅里叶变换红外光谱证实了氢键和配位键的形成，扫描电镜显示材料具有多孔结构，为应变传感提供了理想的微观形貌。

【力学与粘附性能】
得益于CNC构建的刚性网络和PAA提供的柔性基质，该水凝胶展现出惊人的1381%断裂伸长率和142.8 kPa拉伸强度。通过180°剥离测试测得其对多种基底的粘附力达24.72 kPa，这归因于CNC/PAA表面丰富的羧基和羟基产生的多重分子间作用力。

【电学与传感特性】
导电网络的三重构建策略（LM提供电子传导、MXene增强界面接触、LiCl实现离子传输）使水凝胶获得3.17 S/m的高电导率。在1000%应变范围内保持3.28的灵敏系数，并能检测1%的微小形变。特别值得注意的是，在100%应变下进行2000次循环测试后，电阻变化率仍低于5%，展现出卓越的耐久性。

【电磁屏蔽性能】
当厚度为2 mm时，材料在X波段(8.2-12.4 GHz)的电磁屏蔽效能达到37.42 dB。研究发现MXene的二维结构通过多重反射增强损耗，而LM网络则通过导电损耗机制协同提升屏蔽效果，这种"双损耗"机制为可穿戴设备的电磁防护提供了新思路。

这项研究通过巧妙的材料设计和界面工程，成功实现了"一材多用"的技术突破。Yuchen Tian等研究者开发的PALCM水凝胶不仅解决了传统传感器材料性能单一的问题，更开创性地将应变传感与电磁屏蔽功能集于一体。其采用的纤维素基材和可调控聚合工艺，还体现出良好的环境友好性和规模化生产潜力。该成果为智能服装、电子皮肤等新兴领域提供了重要的材料基础，特别是对需要在高电磁干扰环境下工作的医疗监测设备具有特殊价值。未来通过进一步优化液态金属的分散稳定技术，这类多功能集成水凝胶有望成为柔性电子领域的标准功能材料。