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英文原题：Interfacial engineering of liquid metal nanoparticles for the fabrication of conductive hydrogels: A review

第一作者：赵彦博（宋延林教授22级硕士生）

通讯作者：赵凯博士、叶常青教授

作者：赵彦博、赵凯、钱蓉、俞朱敏、叶常青

       镓基液态金属（LM），特别是其纳米颗粒形式，由于其导电性、流动性和生物相容性的卓越结合，已成为用于制造导电水凝胶的有吸引力的软填料。不幸的是，这些LM纳米颗粒(LMNPs)的内聚力大、密度高、粘度低，导致其与聚合物基质的相容性差，难以构建稳定的基于LMNPs的导电水凝胶。

       基于此，本文简要回顾了在水凝胶中稳定LMNP的界面工程策略（图1）。首先讨论了LMNPs界面工程的基本理论，随后介绍了参与封装LMNP和制造导电水凝胶的各种界面稳定剂，重点介绍了它们的界面调节机制。最后，作者分别描述了所得的基于LMNPs的导电水凝胶的多种应用，包括个人保健和运动检测、人机界面、电磁干扰（EMI）屏蔽等。

图1 制备导电水凝胶的LMNPs界面工程

1. LMNPs界面工程基础理论

       LM被称为室温下的熔融金属，它可以像流体一样流动，同时保持金属的导电性。镓及其合金由于其接近零的蒸气压和低毒性而被认为是理想的LM，其中共晶Ga-In合金（EGaIn）和Ga-In-Sn合金（Galinstan）是两个典型的例子。LMNPs的内聚能大、密度高、粘度低，容易引起水凝胶的聚结和渗漏。但是LMNP周围氧化层的存在使得调节其界面特性成为可能。通过利用氧化物壳与化合物或聚合物链中的各种官能团之间的亲和力，LMNPs在水凝胶中的胶体稳定性有望大大提高，从而产生强大而稳定的导电通路。

图2 LMNP的界面工程

2. 用于构建基于LMNPs的导电水凝胶的界面稳定剂

       构建基于LMNPs的导电水凝胶的关键在于减少水凝胶基质和LMNPs之间的不相容性的界面工程。如上所述，具有丰富-OH、-COOH和-NH2的代表性合成聚合物，如PVA、PAA和PAAm，通常用于通过与其氧化物表面的多重非共价相互作用来稳定LMNP。为了进一步增强其稳定性，人们开发了各种界面稳定剂，不仅可以调节界面相容性，还可以赋予水凝胶更多功能（表1）。根据其固有的电气性能，这些涉及的稳定器可分为绝缘型和导电型。在本节中，作者介绍了使用不同界面稳定剂的基于LMNPs的导电水凝胶的设计和构建策略，并讨论了聚合物网络结构和定制性能之间的关系。

表1 不同类型界面稳定剂的比较（部分）

       总之，已经开发了多种界面稳定剂，包括绝缘和导电类型，用于构建基于LMNPs的水凝胶（图3-4）。一方面，海藻酸盐、单宁酸、纤维素纳米纤维等绝缘界面稳定剂凭借其丰富的官能团在稳定LMNPs方面发挥着重要作用。此外，它们作为聚合物网络结构的一部分，赋予所得水凝胶定制的机械、粘合和自修复性能。另一方面，导电界面稳定剂如CNT、rGO、MXene主要能够通过丰富固有的基于LMNP的导电网络来增强所得水凝胶的电学和刺激响应特性。因此，有必要根据实际需求选择合适的稳定剂来制备水凝胶。

图3 绝缘界面稳定剂

图4 导电界面稳定剂

3. 基于LMNPs的导电水凝胶的多功能应用

       由于具有优异的导电性、生物相容性、组织般的柔软度和易于多功能化，所设计的基于LMNPs的导电水凝胶在个人医疗保健和运动检测（图5）、人机界面（图6）、电磁干扰（EMI）（图7）等多种应用中表现出了巨大的潜力。本节将通过一些有代表性的例子对这些主要应用进行简要介绍，主要关注其各自的工作机制和适用场景。

图5 个人医疗保健和运动检测应用

图6 人机界面应用

图7 EMI屏蔽应用

4. 结论和观点

       总之，本文系统地回顾了水凝胶中稳定LMNP的界面工程的最新技术。通过聚合物网络的结构设计和界面稳定剂的开发，成功构建了基于LMNP的导电水凝胶。这些开发的稳定剂，包括许多天然生物聚合物、导电聚合物和无机功能材料，已被证明可以有效提高LMNP的胶体稳定性，从而提高导电路径的稳健性。此外，本文还阐述了这些水凝胶在个人医疗保健和运动检测、人机界面、EMI屏蔽、自感软执行器、可重写电路等方面的广泛应用。

       尽管这一领域取得了令人兴奋的进展，但仍然存在一些有待解决的挑战：

       （1）一个重大障碍在于难以开发针对不同聚合物水凝胶中的LMNP界面工程的通用策略；

       （2）另一个关键问题涉及通过超声处理生成具有窄尺寸分布的 LMNP。具有这种优点的LMNP将能够更好地控制水凝胶复合材料的性能，促进机械和电气性能的操纵和定制。

Interfacial Engineering of Liquid Metal Nanoparticles for the Fabrication of Conductive Hydrogels: A Review

Yanbo Zhao, Kai Zhao*, Rong Qian, Zhumin Yu, Changqing Ye*

Chem. Eng. J. 2024, 486, 150197.

Published Online: 6 March 2024

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894724016838