DOI: 10.1002/adfm.202213501

柔性电子器件对有机水凝胶/水凝胶的机械坚固性和导电性的要求越来越高，但实现综合高性能的有机水凝胶/水凝胶仍然是一个挑战。在此，受渔网的几何变形能力和坚固性的启发，本研究开发了具有优异各向同性机械坚固性的多尺度离子有机水凝胶。通过将聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶、Zn²⁺和甘油-水的二元溶剂引入由聚丙烯酸（PAA）和聚乙烯醇（PVA）电纺而成的交联纤维垫中，来制备有机水凝胶。由于其独特的结构，得到的有机水凝胶，即PAA-PVA/PAM/Zn²⁺有机水凝胶，表现出优异的拉伸强度（9.45MPa）、高拉伸性、良好的抗疲劳性能、类皮肤机械性能和离子导电性。重要的是，有机水凝胶有望在宽温度范围和恶劣机械条件下使柔性电子设备正常运行，例如柔性机械传感器中的机械-电信号转换材料和锌离子混合超级电容器中的坚固电解质。有机水凝胶的多尺度设计策略不仅为提高软材料的机械性能提供了线索，而且为未来柔性电子器件提供了有前景的材料。

图1.PAA-PVA/PAM/Zn²⁺有机水凝胶的构建。a）构建步骤示意图。b）受渔网启发的纤维形态交联PAA-PVA垫和PAA-PVA/PAM水凝胶。

图2.PAA-PVA/PAM/Zn²⁺有机水凝胶的机械性能。a）照片显示有机水凝胶条（10mm×50mm×0.1mm）悬挂着一瓶水（520g）。b）显示有机水凝胶条在25℃下拉伸至其原始长度的100%的照片。c）照片显示有机水凝胶条在-25℃下被扭曲和拉伸至其原始长度的50%。d）在不同AM浓度下制备的纤维状有机水凝胶和在1mol/L AM浓度下制备的非纤维状有机水凝胶的应力-应变曲线。e）在低应变和高应变范围内，不同AM浓度下制备的纤维状有机水凝胶的模量。f）AM浓度为1mol/L时，所制备有机水凝胶在30%、60%、90%、120%和150%应变下的拉伸加载-卸载曲线。g）图2f中的加载-卸载循环过程中的耗散能量。h）在1mol/L的AM浓度和80%的固定应变下所制备有机水凝胶的拉伸加载-卸载曲线。i）图2h中加载-卸载循环期间的消散能量。j）在50%固定应变下循环加载-卸载过程中的张力。插图说明了循环加载-卸载过程中的网络变化。k）有机水凝胶在逐渐增加的应变下的网络演变示意图。

图3.基于PAA-PVA/PAM/Zn²⁺有机水凝胶的柔性机械传感器的性能。a）电阻式应变传感机制示意图。b）∆R/R0与应变的关系及其线性拟合曲线。c）应变传感器对循环施加的应变的电阻响应。d）在约1000次循环中传感器对25%的循环应变的响应。插图显示了标记部分的放大曲线。e）应变传感器的响应时间。f）应变传感器在不同温度下对80%循环应变的电阻响应。g）自供电电池传感器的应变传感机制示意图。h）电池传感器对从0%增加到190%的应变的电流响应以及传感器在不同应变范围内的应变系数。i）电池传感器对瞬间施加和撤销的应变的响应和恢复时间。j）电池传感器对循环施加的应变的电流响应。k）传感器在>1200次循环中对100%循环应变的电流响应。插图显示了标记部分的放大曲线。

图4.含有PAA-PVA/PAM/Zn²⁺有机水凝胶电解质的柔性锌离子混合超级电容器的性能。a）锌离子混合超级电容器结构示意图。b）锌离子混合超级电容器的充放电机理。c）超级电容器的循环稳定性。插图显示了超级电容器在前10个循环和最后10个循环中的充放电曲线。电流密度为5A/g。d）超级电容器在-25、0和25℃下的CV曲线。扫描速率为30mV/s。e）超级电容器在-25、0和25℃下的GCD曲线。电流密度为1A/g。f）超级电容器在不同温度下的循环稳定性。电流密度为2A/g。g）利用带电超级电容器为具备时间显示功能的双模式仪表（温度和湿度）供电的照片。h）显示使用带电超级电容器为电表供电并在-25℃下冷冻的照片。

图5.含有PAA-PVA/PAM/Zn²⁺有机水凝胶电解质的锌离子混合超级电容器在恶劣机械条件下的性能。a）超级电容器弯曲示意图和照片。b）超级电容器在25℃下以不同角度弯曲的CV曲线。扫描速率为30mV/s。c）温度为0℃。d）温度为-25℃。e）超级电容器在25、0和-25℃下以不同角度弯曲的比容量。f）将处于不同状态下的两个带电超级电容器串联为LED供电的照片：原始状态、折叠状态、挤压状态和损伤状态下。