华东理工大学轩福贞教授、张博威教授团队：蒸发诱导自组装构建 MXene/PVA 导电水凝胶，实现力学性能与传感性能的协同优化

纳米人

2025-09-04

第一作者：Hongming Chen（华东理工大学）

通讯作者：Bowei Zhang（华东理工大学），Fu-Zhen Xuan（华东理工大学）

作者单位：华东理工大学（中国）

研究背景

导电水凝胶作为一类集导电性与柔性于一体的功能材料，凭借其独特的力学顺应性、生物相容性和电学响应特性，在柔性电子器件（如柔性显示屏、可穿戴传感器）、软机器人驱动部件、人机交互界面（如智能假肢感知系统）等前沿领域展现出不可替代的应用价值。这类材料能够在承受大幅度变形的同时保持稳定的导电性能，为实现柔性化、智能化的电子系统提供了核心支撑。

然而，当前导电水凝胶的发展面临两大核心挑战：一方面，力学性能不足成为制约其实际应用的关键瓶颈。传统导电水凝胶的拉伸强度普遍低于 2 MPa，韧性不足 5 MJ/m³，在反复拉伸、弯曲或冲击载荷下易发生断裂，难以满足复杂工况下的长期稳定运行需求；另一方面，现有高性能导电水凝胶的制备过程往往复杂耗时，涉及多步化学交联、精密设备调控或苛刻反应条件（如高温高压、特殊气体氛围），不仅提高了生产成本，也限制了规模化生产与商业化推广。

近年来，科研界发现构建仿生层状微观结构是提升水凝胶力学性能的有效途径。天然生物材料（如珍珠质、骨骼、贝壳）通过有序的层状排列实现了强度与韧性的完美平衡，为人工材料设计提供了灵感。但现有仿生水凝胶研究仍存在明显局限：多数制备方法仅依赖单一能量耗散机制（如单纯的氢键作用或纳米颗粒增强），难以实现力学性能的跨越式提升；同时，复杂的层状结构调控过程（如 3D 打印层层堆积、冷冻铸造定向排列）进一步增加了工艺难度。因此，研发一种兼具高强度、高韧性、高灵敏度且制备工艺简单高效的导电水凝胶，成为解决当前技术瓶颈的核心课题。

在这一背景下，二维过渡金属碳化物 Ti₃C₂Tₓ MXenes 作为新兴纳米材料脱颖而出。这类材料具有一系列理想特性：金属级导电性确保了传感信号的高效传输；优异的力学性能为复合材料提供了强化基础；良好的热电性能使其可同时响应力学与温度刺激；表面丰富的官能团（-F、-O、-OH 等）不仅赋予其良好的亲水性和分散稳定性，更能与聚合物基质形成强相互作用；而出色的溶液加工性则使其可通过简单的溶液混合、自组装等方式实现规模化制备。这些特性的完美结合，使 Ti₃C₂Tₓ MXenes 成为构建高性能导电水凝胶的理想导电填料，为突破现有材料性能瓶颈提供了全新可能。

研究亮点

要点一：仿珍珠质结构的 LMP 水凝胶制备：借鉴天然珍珠质的层状结构，将 MXene 纳米片看作类文石片层，PVA 层看作有机相，通过蒸发诱导自组装法，使 PVA 和 MXene 纳米片逐层自组装形成层状微观结构。

要点二：优异的力学性能及机制： 6% LMP 水凝胶性能最优，其拉伸强度和韧性分别是纯 PVA 水凝胶的 4.1 倍和 6.9 倍。这主要归因于多种能量耗散机制的协同作用：MXene 纳米片阻碍裂纹扩展、从 PVA 基质中拔出时耗散额外能量；MXene 表面官能团与 PVA 链形成的动态可逆氢键网络在变形时解离耗散能量；PVA 层通过热退火形成致密的纳米晶域，其断裂也会耗散大量能量。

要点三：出色的传感性能：LMP 水凝胶具有良好的应变传感性能，在不同应变范围内均表现出良好的灵敏度和线性度，能稳定检测小应变和大应变，即使在大应变下也能灵敏感知小应变，响应时间约 100 ms，经过 1000 次拉伸 - 释放循环后仍保持良好的传感性能。

同时，LMP 水凝胶具备高精度的温度传感功能，表现出负温度系数行为，在不同温度阶段有相应的温度系数电阻值，可用于人体健康监测等领域。

图文解读

图1. LMP水凝胶的制备和机械性能。A）通过蒸发诱导自组装制备LMP水凝胶。B）六种水凝胶的应力-应变曲线。C）六种水凝胶的强度。D）六种水凝胶的韧性。E）LMP水凝胶的循环加载-卸载。F）支持1 Kg负载的LMP水凝胶的光学图像。G）锤击LMP水凝胶时，LED灯保持稳定。

图2. LMP水凝胶的表征和内部结构分析。A）MXene、纯PVA水凝胶和LMP水凝胶的傅里叶变换红外光谱（FTIR）光谱。B）LMP水凝胶（退火）和LMP水凝胶（未退火）的X射线衍射（XRD）曲线。C）LMP水凝胶（退火）和LMP水凝胶（未退火）的差示扫描量热法（DSC）热图。D） 天然珍珠层内部结构的 SEM 图像。E，F）LMP水凝胶的SEM图像。G） 层状微观结构的形成过程。

图3. LMP水凝胶的机械传感性能。A）LMP水凝胶的电导率变化机理。B）LMP水凝胶的GF。C）小应变下LMP水凝胶的相对电阻变化。D）LMP水凝胶在大应变下的相对电阻变化。E）LMP水凝胶在大应变下对小应变的敏感响应。F）LMP水凝胶的响应和弛豫时间。G）LMP水凝胶的循环稳定性。

图4. LMP水凝胶的温度传感性能。A）LMP水凝胶随温度（20−80 °C）的相对电阻变化。B）LMP水凝胶在加热和冷却循环中的滞后。C）LMP水凝胶随温度（20−80 °C）的电阻温度系数。D）LMP水凝胶的反复加热-冷却循环。E）LMP水凝胶在室温和体温之间的相对电阻变化。F）LMP水凝胶温度传感器的红外热图像。

图5. LMP水凝胶的可穿戴传感器应用。A，C） 将弯曲角度从 0 增加到 90° 时连接到手指的 LMP 传感器的相对电阻变化。B）人体示意图。D） 弯腕信号监测。E） 步行和跑步信号监测。F） 不同单词的语音检测。G） 不同数字的手写检测。

总结展望

综上所述，在这项研究中，我们提出了一种分层制造策略，通过蒸发诱导自组装模拟天然珍珠层结构来制造导电水凝胶。我们利用2D Ti₃C₂Tₓ MXenes纳米片作为PVA水凝胶基质中的导电填料，并诱导PVA和MXene纳米片材逐层自组装成层状微观结构。通过引入额外的能量耗散机制，LMP水凝胶的力学性能得到了显著改善。此外，2D Ti₃C₂Tₓ MXenes纳米片的优异热电性能赋予LMP水凝胶高精度温度传感功能。水凝胶具有优异的拉伸强度（6.11 ± 0.29 MPa）、韧性（20.57±4.05 MJ m⁻³）、良好的拉伸性（730.73%）、快速的响应时间（≈100 ms）、在不同变形下的稳定传感和温度敏感性（TCR=-3.468%/°C），这赋予了它在人体运动监测、体温监测、语音检测和手写检测中的应用。这项工作提供了一种有效、创新和简单的方法来制备坚固耐用的导电水凝胶，在人类健康监测、人机交互和电子皮肤方面具有潜在的应用前景。

文献信息:

H. Chen, X. Chen, C. Rong, X. Ma, B. Zhang, and F.-Z. Xuan, “ Layered Structured MXene/PVA Conductive Hydrogels with Excellent Mechanical Properties for Flexible Strain and Temperature Sensing.” Small (2025): e06824. https://doi.org/10.1002/smll.202506824

作者介绍:

张博威教授简介：博士毕业于美国爱荷华州立大学机械工程专业，期间在耶鲁大学联合培养，毕业后在美国西北大学从事博士后研究。入选国家优青、上海市科技青年35人引领计划及上海市海外高层次人才计划，获国家海外优秀留学生奖、美国Sigma Xi授予的Zaffarano Prize (1人/年)等奖项。近5年以第一/通讯作者在Nature Communications，Advanced Materials, Nano Letters, ACS Energy Letters, Materials Horizons等SCI期刊发表论文20余篇，其中4篇入选ESI高被引论文，申请/授权专利10项。

轩福贞教授简介：现任华东理工大学校长。获国家科技进步一等奖1项、二等奖1项，省部级特等奖1项、一等奖4项、二等奖1项，中国石油与化学工业联合会青年科技突出贡献奖。主持完成国家核电重大专项（课题）、国家仪器专项、863计划、国家科技支撑计划、国家自然科学基金等课题。