摘要：在柔性电子领域，两性离子水凝胶因优异的血液相容性、高吸水性和抗污染特性，一直被视为表皮电子设备的 “潜力选手”。但长期以来，它面临着 “机械性能弱” 与 “功能难集成” 的双重困境 —— 要么拉伸强度不足 2MPa，要么为了增强韧性牺牲导电性、透明度，难以满足

在柔性电子领域，两性离子水凝胶因优异的血液相容性、高吸水性和抗污染特性，一直被视为表皮电子设备的 “潜力选手”。但长期以来，它面临着 “机械性能弱” 与 “功能难集成” 的双重困境 —— 要么拉伸强度不足 2MPa，要么为了增强韧性牺牲导电性、透明度，难以满足实际应用需求。

这项研究，通过 “加固超分子网络 + 空间分层结构” 的创新设计，研发出一款集 “超韧、高弹、透明、抗冻、自黏附” 于一体的 RHOCF 水凝胶，彻底打破了这一僵局。今天，我们就来拆解这款 “全能水凝胶” 的核心突破，以及它为表皮电子带来的变革。

*本文只做阅读笔记分享*

一、痛点突破：为什么传统水凝胶“难堪大任”？

在聊新成果前，先搞懂一个关键问题：两性离子水凝胶明明优势突出，为何迟迟难以落地？核心症结在于两大矛盾：

1、机械性能的“鱼与熊掌”

传统两性离子水凝胶要么 “脆”（易断裂），要么 “软”（拉伸强度低）。即便双网络设计能提升韧性，也难逃 “强度与延展性不可兼得” 的魔咒 —— 比如共价交联水凝胶的拉伸强度通常低于 2MPa，离子交联水凝胶更是只有千帕级，根本扛不住长期穿戴的摩擦与形变。

2、功能集成的 “顾此失彼”

表皮电子设备需要水凝胶同时具备 “导电性、透明度、抗冻性、自黏附” 等功能，但过去的改良方法总是 “拆东墙补西”：比如通过反复热加工增强强度，却会破坏离子传导通道；用金属离子交联实现自黏附，又会导致水凝胶变浑浊。

二、创新设计：从“生物启发”到“结构革命”

研究团队的核心思路，是向自然界的 “承重组织”（如骨骼肌、关节软骨）学习 —— 这些生物材料之所以兼具高强度与多功能，关键在于 “分子级加固网络” 与 “多尺度分层结构” 的协同。

基于此，他们设计的 RHOCF 水凝胶，靠三个关键组件实现了 “1+1+1>3” 的效果：

特别值得一提的是铋离子的 “神操作”：

解决溶解性难题：纯水中铋盐易水解沉淀，团队用 “水 - 甘油二元溶剂”，让铋离子均匀分散在凝胶中；

精准调控机械性能：当铋离子含量为 0.25wt% 时，水凝胶达到 “强度与延展性” 的最优平衡 —— 拉伸强度 7.93MPa（是纯 PZS 的 79 倍），断裂伸长率 1635%（远超传统凝胶）；

兼顾多功能：铋离子的高离子迁移率提升导电性，同时与甘油协同降低冰点至 - 71.61℃，实现超低温抗冻。

三、性能 “天花板”：6 大核心优势，覆盖表皮电子全需求

RHOCF 水凝胶的厉害之处，在于它把 “看似矛盾” 的性能集于一身，每一项都精准命中表皮电子的痛点：

1. 机械性能拉满：又韧又弹，耐疲劳

拉伸强度 7.93MPa、断裂韧性 76.85MJ/m³，远超同类水凝胶；

回弹率 95.65%，接近人体皮肤的弹性蛋白（~90%）；

经 12000 次循环拉伸后，无明显裂纹，疲劳阈值高达 351J/m²，长期穿戴不怕坏。

2. 透明抗冻：极端环境下 “稳如老狗”

可见光透过率 > 96.32%，贴在皮肤上几乎隐形，不影响外观；

零下 196℃（液氮温度）中仍保持透明完整，回到室温后迅速恢复，北方冬天户外使用无压力。

3. 高导电 + 自黏附：适配动态皮肤

离子电导率 5.61S/m，能稳定传输生物电信号；

对钢、PET、PDMS 等材料的剪切强度达 5.8-21.9kPa，贴在手腕、手指上，即使关节活动也不会脱落。

四、应用落地：从“智能手套”到“脑电监测”，场景全覆盖

有了这么强的性能，RHOCF 水凝胶的应用场景自然 “百花齐放”，研究团队也做了多个令人眼前一亮的演示：

1. 多功能智能手套：能 “摸” 能 “感” 能 “通信”

温度感知：指尖的水凝胶传感器能识别冷热物体，可用于机器人避障（比如提前感知高温部件）；

手势识别：手指上的应变传感器能精准捕捉 “握拳、伸指” 等动作，识别准确率高；

摩尔斯电码通信：通过 “轻触（点）” 和 “长按（划）” 的电容变化，将触觉信号转化为摩尔斯电码，实现人机交互。

2. 高精度脑电监测：比商用电极更可靠

脑电信号（EEG）振幅仅微伏级，对传感器的稳定性要求极高。而 RHOCF 水凝胶电极：

记录的脑电信号与商用凝胶电极无显著差异，信号保真度高；

抗运动干扰能力更强，眨眼、咬牙、转头时，信号仍稳定；

在 “六级持续注意力评估” 中，识别准确率达 90.2%，远超商用电极的 66.5%，可用于专注力训练、驾驶疲劳监测等场景。

五、总结：不止是水凝胶，更是柔性电子的 “新平台”

RHOCF 水凝胶的突破，不止是解决了一个材料难题，更提供了一种 “生物启发 + 结构设计” 的新思路 —— 通过精准调控分子间相互作用和多尺度结构，让柔性材料实现 “机械性能 + 功能集成” 的双重突破。

未来，它不仅能用于表皮电子，还可能拓展到 “柔性机器人”（抗冻耐撞）、“水下传感器”（抗污染 + 自黏附）、“伤口敷料”（生物相容 + 透氧）等领域。或许不久后，我们就能看到贴在皮肤上的 “透明脑电贴”、能在寒冬工作的 “柔性手环”，而这一切的起点，正是这款充满巧思的水凝胶。

参考文献：

Guo, X., et al. Robust zwitterionic hydrogels enabled by consolidated supramolecular networks and spatially hierarchical structures. Nat Commun 16, 9454 (2025).

来源：知识泥土六二三