【报告预览】青年科学家论坛合集（二），2024先进凝胶材料及产业应用论坛

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以天然高分子为基质，利用物理作用为主的多重交联体系构建绿色导电水凝胶，显示出优异的柔韧性、应力-应变响应性、离子传导活性、自愈合性、可粘附性和可回收性，并且对pH、温度、离子浓度等表现出特异的刺激响应，是制备绿色柔性电极的理想材料。本报告从柔性智能传感器在人体运动及健康监测中的应用需求出发,总结了课题组近年来在基于天然高分子水凝胶的绿色柔性电极构建及其智能传感器应用方面取得的进展,并分别从运动损伤预警、运动生理监测、运动效能评测和运动心理评估等四个方面对其在运动及健康监测等领域的应用可行性进行分析，以期为柔性电极材料及智能传感器的开发及深度应用提供有价值的指导，助力运动健康新材料产业的发展。

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基于设计合成手段实现生物质基环境功能材料的结构与性能调控是当前环境、化工和材料等交叉领域的前沿研究。利用多糖物质（壳聚糖、海藻多糖等）本征分子特点和大宗生产优势，通过可控碳化手段、界面改性和与金属纳米颗粒功能复合制备了系列电磁污染吸收材料，通过性能探究和结构分析揭示了合成过程对材料结构和性能的调控规律，建立了材料结构性质和组成对其应用性能的影响机制。系统研究了基于海藻多糖、壳聚糖为前驱体制备新型功能材料的研究工作。围绕海藻多糖、壳聚糖创制绿色功能材料的研究有效拓展了生物质资源的高值化利用途径。

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应变传感纤维是可穿戴应变传感器的理想材料，其功能性取决于纤维材质、导电网络以及纤维结构等因素。鉴于此，本人通过同轴纺丝策略先后将聚离子凝胶、离子/电子双导电网络和自补偿导电网络封装到弹性纤维管中，进而实现应变传感纤维的宽温度工作范围、高灵敏度、高线性度等性能。通过调控纤维的导电网络结构，实现对其应变传感性能的精细控制，并建立同轴纺丝策略与传感纤维的功能性之间的关系规律，为制备功能性应变传感纤维开辟新途径。

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以简便有效的方式制备具有多重响应特性的通用水凝胶是生物材料领域的一项关键挑战。我们提出了一种新颖的策略，用于制备按需降解的水凝胶。通过硒醇-二氯四嗪亲核芳香取代反应，在温和条件下合成水凝胶。硒醇与四嗪之间的亲核及氧化还原反应在单一且高效的步骤中形成三种可降解化学键——二硒醚、单硒醚和以及硒四嗪。所得到的水凝胶展现自愈合及按需降解的特性。此外，该材料还表现出光触发抗菌活性。动物研究进一步验证了在绿色光照射下，水凝胶具有抗菌、促进血管生成与胶原沉积的作用，从而加速伤口愈合。这些发现突显了我们设计的光响应水凝胶可以应用于糖尿病创面修复。

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自然界通过固液两相协同作用塑造了各种异彩纷呈的材料。借助气凝胶的高孔隙率、高比表面积和可控毛细力，我们发展了一系列气凝胶限域固液复合材料，探索了高效吸附、可控分离及能源管理等应用。提出了相分离与溶胶凝胶转变协同机制，构建了多级孔气凝胶膜，将乳液中连续相选择性封装在介孔中，梯度大孔进行高效流体输运，形成了选择性原位液体限域气凝胶膜。通过变换驱动压力，赋予单片膜按需乳化与油水分离多种功能。提出了气凝胶限域固液复合动态离子捕获策略，实现了高效铀提取，同时具备优异的稳定性、固液界面黏附性和高离子选择性（是其他竞争离子的250~6510倍）。通过在固液复合膜上引入动态界面调控机制，动态交变压力下铀提取效率可达258.5 mg g^-1h^-1。

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可穿戴和可植入生物电子技术的飞速发展，为人类健康领域带来了革命性的变革。这些技术使得个性化健康监测和精准医疗不再遥不可及，而是逐渐成为现实。水凝胶材料因其与人体组织高度相似的力学性能和生理学特性，成为了构建人机交互/融合界面的理想选择。尽管近年来国内外研究学者报道了各类方法提升水凝胶的性能，但当前合成水凝胶依旧存在小分子残留、组织界面的粘合稳定性和可调控性差，以及水凝胶膜层在电极表面的长期稳定性差和功能上无法满足体内特定应用场景需求等挑战，严重制约了水凝胶在生物体内的广泛应用。为了应对这些挑战，报告人近年来主要从事功能水凝胶材料的研发，提出了一些新的策略开发了一系列功能性水凝胶膜层界面，并对它们的粘附性能、电学性质、生物兼容性、以及在生物体内的实际应用效果展开了深入的研究，旨在通过水凝胶膜层技术推动生物电子领域的快速发展。

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柔性可穿戴电子的飞速发展，对传感器的柔性可拉伸性、集成供电、环境适应性等提出了越来越苛刻的要求。基于凝胶热电转换的有源传感技术，既能满足器件的柔性可拉伸性要求，也能通过俘获人体热能提供有源传感，并能共形贴合于人体而获得良好适应性。本报告将给大家汇报本小组近2年多的研究进展，主要聚焦于PVA凝胶电解质热电转换效率协同提升、凝胶器件结构设计和有源可穿戴体征监测/信息转换应用的几种可行路线，探索凝胶Seebeck系数、有效电导率、有效热导率和弹性模量等与凝胶制备工艺的关联性规律，揭示氧化还原反应熵变与离子热扩散耦合热电转换原理，开发可与人体共形贴合的多体征有源监测/信息转换的智能可穿戴电子设备。该研究将积极推动凝胶热电器件的功能拓展及其在柔性可穿戴健康监测/人机交互等场景中的应用发展。

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为了丰富聚合物材料的多级孔道结构，探索多驱动力参与的制备方法，提高此类材料的主客体识别能力，本研究采用脱水缩合反应高效制备一类环糊精基交联聚合物（CDP），并对该类聚合物进行了系列结构和性能表征。结果发现，该类聚合物为无定形材料，镶嵌有环糊精的空腔结构，以及羟基等特色官能团，同时兼具网络状交联聚合物的结构。CDP具有大环分子、微观孔道及交联聚合物的结构，具备了聚合物材料微观多级孔道结构的特征，增强对于多种类客体分子的识别能力。通过交联剂与环糊精投料比例的控制，可以有效调节分子层面环糊精多聚结构的“桥连”数量，进一步调控临近环糊精结构单元对客体分子选择性识别的协同作用。因此，该聚合物被进一步应用于分子识别的研究，特别是针对混合的有机染料分子展开吸附研究。

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新型被动日间辐射冷却器的开发对降低全球建筑能耗具有重要意义。有机气凝胶具有力学性能优异、结构丰富可调、前驱体种类繁多等特点，是一类具有广泛应用潜力的气凝胶。其中，聚酰亚胺（Polyimide，PI）气凝胶具有较高稳定性, 力学强度、低热导率、阻燃等优势，但其在太阳光谱区域有显著吸收，具有明显的太阳光加热作用。因此，为了降低PI在太阳光的吸收，增加反射率，同时提高其在中远红外波段的发射率，本文提出位阻效应和微纳结构的协同策略，通过水系制备了一种具有光谱选择性和优异隔热性能的新型含氟聚酰亚胺/二氧化硅（FPISi）复合气凝胶，实现其日间辐射制冷。此外，FPISi复合气凝胶具有优异的热稳定性、疏水性、抗老化和阻燃性能，在建筑制冷方面具有巨大的潜力。

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针对聚合物气凝胶材料实现结构多功能一体化存在的问题，提出一些功能协同赋予策略，并讨论了部分设计思想的普适性。

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水凝胶电解质在原电池中起着至关重要的作用。然而，目前的水凝胶电解质普遍存在固有滞回率高、界面粘附力低等严重问题，导致输出功率效率低、界面电阻大，严重制约了材料的性能。为了解决这一挑战，我们提出了一种“一石二鸟”的策略，以协同调节全聚合物基柔性水凝胶电解质的滞后性和界面粘附。该水凝胶电解质由聚丙烯酰胺(PAM)为脆性网络，甲基纤维素(MC)为坚韧网络，丝素蛋白(SF)为大分子两性离子组分组成。两性离子SF的存在允许同时调节水凝胶的滞后性和附着力，只需调整预聚合溶液的pH值。当预聚合溶液的pH值从4调整到11时，水凝胶的附着力提高了3.44倍，其中S6PM-11水凝胶的附着力最高可达15.48 kPa；当pH值从6.5调整到12时，水凝胶的迟滞率降低了2.22倍，其中S6PM-12的迟滞率最小，仅为1.91 kJ/m³。最终，用S6PM-12水凝胶组装的一次电池显示出显著的输出电压(1.4 V)，并且在严重变形条件下保持小于3.6%的电压变化，表明制造的电池具有环境耐受性和长期可用性。这种通过调节pH值来控制水凝胶滞回和粘附的“一石二鸟”策略，为未来的智能柔性可穿戴传感器提供了一种新的途径。

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两性离子聚合物是一类重复单元中同时包含阴、阳离子基团的高分子，具有强水化、电中性和强偶极等特点，目前已经在生物抗污表面、离子导电器件、储能器件等多个工程领域展现出其独特的应用优势。然而，传统的两性离子凝胶由于水化能力过强，致使水合链之间的相互作用极弱、聚合物网络的能量耗散效应微弱，凝胶普遍存在力学韧性差、强度低、界面黏附能力弱等力学缺陷，极大限制了两性离子凝胶在承力结构和湿态环境中的应用。对此，我们从两性离子单体结构的设计出发，基于结构单元调控强化两性离子聚合物链间相互作用、并结合特定网络结构设计构建了一系列高韧性两性离子聚合物软物质及黏附材料，最终探索了上述材料在柔性电子器件领域的应用。

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气凝胶作为一种独特的三维多孔材料，拥有高孔隙率、高比表面积等优势，在隔热、传感、储能、催化等领域具有良好的应用前景。而传统的气凝胶脆性大、可拉伸性差，限制了其实际应用范围。鉴于此，发展了热压、预拉伸等策略，构筑了折叠、内凹、卷曲等多孔结构导电气凝胶和多孔弹性体，极大地提升了气凝胶的可拉伸性，获得了基于可拉伸气凝胶等多孔材料的可拉伸宽检测范围压力/应变传感器、柔性高灵敏度生物传感器、以及可调控的热管理和电磁屏蔽材料。该系列研究拓展了气凝胶在柔性电子器件、传感器、热管理和电磁屏蔽等领域的潜在应用，为高可拉伸气凝胶材料及其高性能柔性气凝胶传感器件的研发提供了新思路。