Nano-Micro LettersFuyuan Lu, Dan Sun*, Wei He, Meng Li, Zhengjun Shi, Yiqiang Wu, Shao-Fei Sun*, Changyou Shao*, Runcang Sun*
Nano-Micro Letters (2027)19: 20
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02302-9
1. 疏水与可聚合兼备：开发了一种兼具疏水性与可聚合性的新型低共熔溶剂，为构筑高稳定性疏水凝胶提供了新的分子设计平台。
2. 动态交联，韧性跃升：引入锌离子配位木质素纳米颗粒作为动态交联剂，通过金属-配体配位作用增强凝胶网络的动态交联能力，显著提升疏水低共熔凝胶的韧性、能量耗散能力和抗溶胀性能。
3. 疏水微区，筑起防水屏障：聚合物网络与金属-酚类络合物协同构筑疏水微区，破坏凝胶表面的水合层，赋予材料优异的水下粘附能力。
随着柔性电子、海洋探测以及水下智能设备的快速发展，能够在复杂水环境中长期稳定工作的柔性功能材料受到了广泛关注。柔性凝胶材料凭借良好的柔韧性、可变形能力以及对外界刺激的敏感响应，被认为是构筑柔性水下传感器的重要材料之一。然而，传统水凝胶通常具有较强的亲水性，长期暴露于潮湿环境中易吸水、溶胀以及网络结构变化，进而导致材料性能下降并限制其在长期水下环境中的应用。因此，如何构筑一种在水环境中保持稳定的韧性、界面粘附和应变响应性能的凝胶材料，成为水下柔性电子领域亟待解决的问题。因此，通过合理的分子与网络结构设计，同时实现疏水防水、力学增强、水下粘附以及传感功能，是开发新一代柔性海洋电子材料的关键。
针对传统水凝胶在水环境中容易吸水、溶胀，且难以兼顾力学性能、抗水渗透性和水下粘附性能的问题，大连工业大学孙润仓教授团队设计并构筑了一种多功能疏水低共熔凝胶(HEG)。首先，以丙烯酸(AA)和四辛基溴化铵(TOAB)构建兼具疏水性与可聚合性的低共熔溶剂(PHDES)，并引入Zn²⁺配位木质素纳米颗粒(Zn@LNP)作为动态交联剂，同时加入DMF调节界面相互作用，通过一步紫外引发聚合制备HEG。该设计通过疏水微区、动态配位交联和界面调控的协同作用，有效阻止水分渗入凝胶网络，同时增强材料的机械强度、能量耗散和抗溶胀性能，并改善水下界面接触与粘附。最终，HEG实现了高强度、高韧性、优异抗溶胀性和强水下粘附性，并表现出良好的机电响应和水下传感能力，可进一步应用于水下通信、生物运动监测以及无线游泳动作追踪等领域。
I Zn@LNP协同疏水网络构筑多功能水下智能凝胶
图1. 锌离子配位纳米木质素增强型疏水低共熔凝胶的制备及其在水下可穿戴电子设备的应用。
II 疏水网络协同纳米配位实现均匀稳定凝胶
在此基础上，采用超声辅助配位-反溶剂自组装策略制备Zn@LNP。FT-IR和XPS表征证实，Zn²⁺能够与木质素中的羟基和羧基发生Zn-O配位，说明Zn@LNP并非简单的物理吸附或包覆，而是形成了稳定的金属-木质素配位结构。经过纳米化处理后，Zn@LNP呈均匀的准球形形貌，平均粒径约为151.62 nm，相比原始木质素约1218.6 nm的粒径显著降低，有利于其进一步均匀分散在凝胶网络中。Zn@LNP表面的羟基、羧基能够与聚合物链形成氢键，同时Zn²⁺与凝胶中的含氧基团形成动态配位键，使Zn@LNP成为分布于网络中的纳米物理交联节点。SEM观察发现，加入Zn@LNP后，凝胶内部出现大量约100-200 nm的均匀纳米颗粒；进一步的EDS元素面扫描显示，C、O、Cl和Zn元素均匀分布于整个凝胶基体，表明Zn@LNP能够在PHDES/PEA网络中保持良好的分散状态，并未产生明显团聚。最终，该体系形成了“连续疏水聚合物网络+均匀纳米动态交联点”的多尺度结构。
图2. Zn@LNP与聚合物网络的相互作用。
图3. 金属离子配位的相互作用增强机制。
图4. 疏水低共熔凝胶的机械性能。
图5. 疏水低共熔凝胶的抗溶胀性能。
图6. 疏水低共熔凝胶的水下粘附性能。
图7. 疏水低共熔凝胶的水下机电传感性能。
图8. 疏水低共熔凝胶的水下生物运动识别及泳姿监测。
本研究提出了一种多功能疏水低共熔凝胶(DPF-Zn@LNP-HEG)的构筑策略，通过一步紫外诱导聚合方法，将新型双功能可聚合疏水低共熔溶剂(PHDES)作为凝胶基体，并引入2-苯氧乙基丙烯酸酯(PEA)、锌离子配位木质素纳米颗粒(Zn@LNP)以及N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，实现了疏水性、力学性能和水下界面功能的协同提升。
在材料结构设计方面，PHDES分子中的可聚合双键与长链烷基结构共同构筑三维聚合网络，使凝胶体系同时具备良好的反应活性和本征疏水性；同时，PEA的引入进一步增强了凝胶内部疏水作用，为构建稳定的疏水网络提供了结构基础。
在力学增强与抗溶胀方面，Zn@LNP 作为动态牺牲交联剂，通过锌离子与木质素纳米颗粒中的酚羟基形成金属-酚类配位结构，在凝胶网络中构筑动态交联节点。该动态作用不仅增强了网络稳定性，还赋予材料优异的韧性、能量耗散能力以及长期抗溶胀性能。
在疏水防护机制方面，聚合物网络与金属-酚类络合物共同形成疏水微区，能够破坏凝胶表面的水合层，降低水分子进入网络内部的能力，从而有效阻隔水渗透并保持材料在长期水环境中的结构稳定性。同时，DMF作为界面调节剂，提高了凝胶与不同基底之间的相容性，显著增强了材料的水下接触性能和粘附强度。得益于多重协同作用，该疏水低共熔凝胶展现出优异的综合性能，包括1.14 MPa的高机械强度、3.15 MJ·m-3的高韧性、30天溶胀率低于1%的抗溶胀能力、1.07 MPa的水下粘附强度以及较高的应变响应灵敏度(GF = 8.12)。基于这些优势，该材料进一步实现了可靠的水下传感功能，可用于摩尔斯电码传输、生物运动监测以及基于蓝牙的无线游泳动作追踪。
总体而言，本工作提出了一种疏水网络构筑、动态金属-酚类交联和界面调控协同融合的新策略，为开发兼具高强度、抗水侵蚀和水下感知能力的新一代柔性海洋电子材料提供了新的设计思路和材料基础。
孙润仓
本文通讯作者
大连工业大学 教授
生物质转化为新材料及新能源。
▍主要研究成果
大连工业大学教授，国家重大人才工程入选者，973项目首席科学家，辽宁省生物质化学与材料重点实验室主任。主要从事生物质转化为新材料及新能源方面的研究，发表中科院一区论文600余篇，被引8.5万余次，H因子145，连续10年入选爱思唯尔中国高被引学者及科睿唯安全球高被引学者，入选全球顶尖前10万科学家榜单及全球顶尖前1000名化学科学家榜单，主、参编英文专著36部，授权发明专利178件，获国家技术发明二等奖3项、省部级自然科学/技术发明/科技进步一等奖10项。培养研究生及博士后100余名，其中全国优博3人、提名2人，培养国家杰青2人、“长江学者”5人，国家万人创新领军人才5人、中组部青年拔尖人才9人、“青年长江及优青”6人、中国科协青年人才托举工程5人、教育部新世纪人才9人等。
▍Email：rcsun3@dlpu.edu.cn
邵长优
本文通讯作者
大连工业大学 教授
生物质基智能水凝胶体系的构建及应用搭建。
▍主要研究成果
大连工业大学特聘教授，博士生导师，入选国家高层次青年人才、第八届中国科协“青年人才托举工程”、辽宁省优秀青年基金项目、辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才。主要从事生物质基智能凝胶应用研究,近年来以第一/通讯作者在Prog. Mater. Sci.(1), Adv. Mater.(1), The Innovation(1), Adv. Funct. Mater.(6), ACS Nano(3), Nano-Micro Lett.(2), Sci. Bullet. (1), Adv. Sci.(2), Nano Energy(3)等国际主流Top期刊发表SCl论文50余篇，6篇入选ESI高被引论文。受邀参编中英文专著2部，申请发明专利7项(授权4项)。主持国家自然科学基金面上/青年基金等科研项目共17项。荣获2024年度辽宁省自然科学奖二等奖(排名第1)、宝钢教育奖(全国约500人/年)、“大连青年五四奖章”提名(全市仅5人/年)等荣誉奖励，获评国家级一流本科课程和省级一流虚拟仿真实验课程。受邀担任Nano-Micro Lett., Green Carbon, Exploration等8种国际学术期刊青年编委，兼任Science, Nat. Sustain., Adv. Mater.等40余种顶级期刊审稿人。
▍Email：shaocy@dlpu.edu.cn
孙丹
本文通讯作者
浙江农林大学 副教授
生物质基智能凝胶材料的构建及其在生物传感与可再生能源转换的应用研究。
▍主要研究成果
浙江农林大学化学与材料工程学院副教授，在Nano-Micro Lett.，Adv. Funct. Mater.，Adv. Sci.，Energy Environ. Mater.，Green Chem.等国际主流期刊发表SCl论文30余篇，5篇入选ESI高被引论文。申请国家发明专利2项，参与编写英文专著2部。主持国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等项目6项。兼任林学会青工委委员会委员；竹子学报，Forestry Research Advances等期刊青年编委；Chem.Eng. J.、Bioresour. Technol.等期刊审稿人。
▍Email：sunday4556@zafu.edu.cn
撰稿：原文作者
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