可穿戴柔性电子设备的兴起标志着未来智能科技的一次重大演变，因其轻便性、灵活性、舒适性等综合优势，在便携式电子设备、智能医疗、人机界面和软体机器人等领域展现出广阔的应用前景。聚酰亚胺（PI）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、橡胶和硅胶等合成聚合物，都显示出作为柔性电子基底的潜力，但界面力学不匹配和生物相容性等方面限制了它们的发展和应用。水凝胶作为类生物组织的三维聚合物交联网络，具备丰富的结构和功能属性，包括可拉伸性、自愈性、生物降解性、生物相容性和导电性，因此成为发展柔性电子的潜在候选者。值得注意的是，智能水凝胶在受到各种外部物理刺激（温度、压力、电场、磁场、光和声音等）或化学刺激（pH、组成、浓度和分子种类等）时表现出快速响应行为，并能转变为可识别的电信号。尽管水凝胶呈现出一系列出色的属性，但由于高含水量导致的低温结晶行为，会极大削弱水凝胶基柔性电子设备在极端环境中的功能表现。为克服这一挑战，亟需开发在寒冷气候中保持高性能和高稳定性的环境适应性先进水凝胶材料。
基于前期的抗冻凝胶研究工作取得的一系列重要进展（见后文目录），北京林业大学杨俊课题组应《Chemistry of Materials》期刊的邀请，发表了题为“Recent Progress in Bioinspired Design Strategies for Freeze Resistant Hydrogel Platforms toward Flexible Electronics”的综述论文，基于生物体御寒机制对抗冻水凝胶的仿生设计和在柔性电子领域的前沿应用进行深入探讨和梳理（如图1）。论文由大连工业大学张红梅、薛凯、邵长优和北京林业大学郝三伟和杨俊等人共同完成。
图1. 抗冻水凝胶的设计策略及其在柔性电子产品中的应用
本综述基于自然启发和材料工程构效关系的见解，对抗冻水凝胶的最新进展进行了全面和系统的分析。首先，阐明了适应寒冷环境的生物体天然耐冻机制和水凝胶网络内不同水状态冰晶萌发和扩散原理。随后，基于仿生思想，从抑制冰晶生长和传播的角度总结了用于开发防冻水凝胶的工程策略，包括抗冻剂（固态、液态和熔融态）的引入、聚合物网络的改性以及本征型抗冻的纳米限域，并简要分析了每种策略的优缺点。此外，该综述系统地阐述了抗冻水凝胶材料在不同应用领域的最新进展，包括柔性传感器（应变、压力、温度和湿度传感器）、智能制动器和软机器人、能量存储设备（超级电容器和电池）以及能量收集器。最后，本综述讨论了仿生抗冻水凝胶柔性电子的未来挑战和发展方向，为迅速了解抗冻凝胶的基础设计原理、有效合成方法和特定应用场景提供合适的方案和与合理的指导。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.chemmater.3c02234
本课题组相关系列研究工作链接：
1.Energy & Environment Science 2023, 16, 1291-1311.
https://doi.org/10.1039/D2EE03793A
2.Advanced Functional Materials 2023, 2307400.
https://doi.org/10.1002/adfm.202307400
3.Advanced Functional Materials 2023, 2305879.
https://doi.org/10.1002/adfm.202305879
4.Advanced Functional Materials 2022, 32, 2201335.
https://doi.org/10.1002/adfm.202201335
5.ACS Nano 2021, 15, 11, 18469–18482.
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c08193
6.Nano Energy 2022, 98, 107284.
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107284
7.Chemistry of Materials 2022, 34, 11, 5258–5272.
https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c00934
8.Chemistry of Materials 2022, 34, 3, 1065–1077.
https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c03386
9.Chemical Engineering Journal 2022, 431, 133782.
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133782
10.Chemical Engineering Journal 2022, 433, 133202.
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133202
11.ACS Applied Materials & Interfaces 2022, 14, 10886-10897.
https://doi.org/10.1021/acsami.2c00513
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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