【聚焦】
•一種可產生自由基物種的新型多層 MXene (m-MXene) 引發劑。
•m-MXene 同時充當引發劑、交聯劑和導電填料。
•所得導電水凝膠表現出優異的效能。
【摘要】
與 MXene 結合的導電水凝膠是用於電子產品中用於人機互動的有前途的介面材料，其中 MXene 奈米片通常充當多功能奈米填料，以帶來改進的效能和新的功能。然而，很少有人關注它們對 MXene 聚合物水凝膠凝膠化的貢獻。最近，復旦大學等科研人員報道了一種新的多層 MXene (m-MXene) 引發劑及其在製備高彈性和導電水凝膠中的三重作用。新的 m-MXene 引發劑可以產生羥基自由基物種，透過電子順磁共振測試驗證，並引發一系列無光、熱或共引發劑的乙烯基單體的聚合。
圖1. a) m-MXene與單體一步混合製備高彈性導電水凝膠的示意圖，其中m-MXene作為引發劑、高官能度交聯劑和導電填料，同時在凝膠過程中發生剝離. b) m-MXene 的 FESEM 影象和相應的 EDS 影象。c) m-MXene和 Ti3AlC2 在不同時間分散在水中的 EPR 光譜，DMPO 作為自旋捕集劑。d) 透過將單體與 m-MXene (2 wt%) 混合後的儲存 (G') 和損失 (G") 模量的流變測量記錄的實時凝膠化過程。e) 基於流變學結果計算的 MD-水凝膠的聚合時間。f) 分別為 m-MXene、PDMAEA-Q 和 MD-水凝膠的 FTIR 光譜。g) MD-水凝膠的 FESEM 影象，剝落的 MXene 薄片被著色以方便目視觀察（黃色）。h) 作為 m-MXene 含量的函式的 MD-水凝膠的電導率。i) MD-水凝膠（0.5 wt%）在 200 天后的電導率，顯示出優異的電穩定性。
在此基礎上，只需一步混合 m-MXene 和一種陽離子單體，單體在 m-MXene 的引發和交聯的同時，在幾分鐘內即可形成高質量的複合水凝膠，具有高拉伸性的綜合優點，彈性、低滯後性、粘合性和自愈效能。巧妙的是，在凝膠化過程中，m-MXene被原位剝離形成組織良好的導電網路，聚合物的空間穩定性進一步增強了MXenes的穩定性。結合便捷的方法和優異的機電行為（例如，超快響應和超寬工作範圍），基於這種導電水凝膠製造了一種新型無線六畫素盲文打字機，展示了其在柔性電子產品方面的輝煌前景。
圖 2.a) 用保鮮膜包裹的 MD-水凝膠球被擊打為“乒乓球”。b) 兩條交織的 MD-水凝膠條的可逆手動拉伸。c) 由彈性 MD-水凝膠條編織的網格網。d) 顯示 MD-水凝膠出色回彈力的照片。e) 具有不同 m-MXene 含量的 MD-水凝膠的拉伸曲線。f) MD-水凝膠的壓縮應力-應變曲線。g) 相同 MD-水凝膠在 300% 張力下進行 10 次迴圈的拉伸恢復迴圈，兩次迴圈之間的恢復時間為 60 秒。h) 相同 MD-水凝膠的壓縮-鬆弛迴圈，在 50% 的固定壓縮下進行 20 次迴圈，兩次迴圈之間的恢復時間為 30 秒。
圖 3.a) 機械上（自愈時間為 24 小時）和 b) MD-水凝膠的電自愈能力。c) MD-水凝膠粘附在塑膠、玻璃、陶瓷和不鏽鋼上。d) MD-水凝膠與不同基材的粘合強度。e) 目前報道的 MXene 相關水凝膠在製備時間、拉伸性、彈性、自愈效能和導電性方面的比較。
圖 4.a) MD-水凝膠感測器在微小觸控時的快速響應和恢復時間。b) MD-水凝膠在施加張力和 c) 壓縮時的電阻變化。d) 在手動拉伸和 e) 壓縮時記錄藍色 LED 亮度變化的圖片。f) MD-水凝膠在不同菌株下的電阻變化。g) MD-水凝膠在固定應變（100%）下不同頻率下的與頻率無關的電阻變化。
圖 5. a) 無線盲文打字機的示意圖。b) 英文字母的盲文對映，其中藍點和白點分別代表凸點和平點。c) 無線盲文打字機實時執行的照片。實時記錄多通道電阻變化以傳達不同的盲文訊號，例如 d) “OK”、e) “SOS”和 f) “HELLO”。
【總結】
該團隊報告並研究了一種新的引發劑（m-MXene），它具有引發一系列乙烯基單體自由基聚合的能力。羥基自由基與蝕刻劑 (HF) 的濃度呈正相關。基於這一發現，透過一步混合 m-MXene 與陽離子單體 DMAEA-Q 來製造混合水凝膠。在材料製備方面，充分利用了多層 MXene 的多重作用，無需修改，避免了電氣效能的妥協。在分子設計方面，充分利用了MXene的固有特性，透過合理的分子設計，在簡單的系統中實現了卓越的綜合性能。這種 MD-水凝膠表現出突出的電氣和機械效能，包括拉伸性、彈性、粘附性、自愈行為和與生物組織相匹配的適度模量，這得益於 MXene 和聚合物鏈之間的多種非共價相互作用。與其他 MXene 相關的水凝膠不同，這裡的 MXene 不僅是導電填料或增強相，而且還是引發劑和高功能交聯劑。更有趣的是，m-MXene 在聚合過程中被原位剝離並均勻分佈在聚合物基質中。這些有利特性的融合使 MD-水凝膠成為有望用於人機互動的介面材料，在很寬的應變和壓力範圍內表現出高穩定性。團隊相信，這項工作不僅為 MXene 複合聚合物開闢了更多的可能性，具有合理的分子設計和簡便的製備方法，而且促進了具有更多人工智慧的無縫人機介面的構建，造福於人類。
相關論文以題為One stone for three birds: One-step engineering highly elastic and conductive hydrogel electronics with multilayer MXene as initiator, crosslinker and conductive filler simultaneously發表在《Chemical Engineering Journal》上。通訊作者是復旦大學武培怡教授。
參考文獻：
doi.org/10.1016/j.cej.2021.132515
