研究背景

柔性电子产品是指在弯曲、滚动、折叠或拉伸的情况下能够保持其功能的电路和电子元件。柔性电子产品的概念是在20世纪60年代提出的，当时为卫星设计了具有较高功率密度的薄而灵活的太阳能电池。从那时起，具有更大灵活性和可加工性的材料的创新，如导电聚合物、有机半导体和非晶硅，逐渐为柔性电子产品奠定了基础。近年来，对新材料和制造技术的研究越来越受欢迎，这些新材料和制造技术将高性能的电子元件直接集成到柔性基材上。柔性电子的应用已经大大扩展，其中包括柔性传感器、柔性能量收集装置、柔性能量存储装置、柔性晶体管和柔性显示屏幕。其中一些应用已经商业化，并进入了人们的生活(例如，柔性显示屏和柔性太阳能电池)。与更加坚硬的传统电子设备相比，柔性电子设备具有一些独特的优势，如重量轻、便于携带、灵活性强、可弯曲、可折叠和适应性强，这些都是许多不同的应用所需要的。最近，人工智能、云计算、增强现实和虚拟现实方面的技术进步，以及个人健康管理意识的不断增强，催化了连接活体生物组织和合成电子系统(所谓生物电子或生物集成可穿戴系统)的柔性电子产品的出现。

生物电子学发展的主要缺点之一是传统的电子学和生物组织之间存在着鲜明的差异。人体是由一系列柔软的、富含水分的组织和器官组成的，大多具有几千帕到几十兆帕的杨氏模量。各种合成聚合物(如PI、PET、橡胶、硅胶等)有可能被用作柔性电子器件的基材，然而，它们要么有太大的杨氏模量(千兆帕)，要么缺乏足够的生物相容性。水凝胶是开发柔性电子器件的一个有前途的候选材料，特别是在生物应用方面，因为它们密切模仿了生物组织的机械、化学和光学特性。亲水交联聚合物水凝胶具有高水含量，因此既表现为固体又表现为液体。由于其在机械和生物功能工程方面的多功能性，它们本质上是柔软的、高度可弯曲的、可拉伸的，并具有自愈特性。因此，基于水凝胶的柔性电子产品可以与生物组织和生物体有更好的适应性和亲和力。这些有利的特性使基于水凝胶的柔性电子器件的性能优于市面上的生物电子器件。

研究成果

柔性电子学是一个涉及多个学科的新兴研究领域，其中包括但不限于物理学、化学、材料科学、电子工程和生物学。然而，由于一些限制因素，包括高杨氏模量、较差的生物相容性和较差的响应性，柔性电子的广泛应用仍然受到限制。水凝胶是一类三维交联的水合聚合物网络，其特殊的材料特性使其成为下一代柔性电子器件的有希望的候选材料。在此，西北工业大学黄维院士、于海东教授等人回顾了合成高级功能水凝胶的最新方法，以及基于水凝胶的柔性电子器件在各个领域的应用现状。此外，讨论了水凝胶的特性和设备性能之间的相关性，以便更好地理解通过使用环境响应性水凝胶开发柔性电子产品。最后，对基于水凝胶的多功能柔性电子器件发展的当前挑战和未来方向提出了看法。相关报道以“Hydrogel-Based Flexible Electronics”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. Main features of hydrogels and their applications in flexible electronics.

Figure 2. Overview of hydrogels and approaches to boost their functions for hydrogel[1]based flexible electronics.

Figure 3. Conceptual illustration of the temperature transition study.

Figure 4. The mechanism of electro-induced bidirectional bending behaviors of the nanocomposite hydrogel.

总结与展望

在这篇综述中，作者总结并强调了基于水凝胶的柔性电子器件在一系列不同应用中的最新进展。由于柔性电子器件的应用是由水凝胶的固有特性决定的，首先讨论了基于结构的分类和水凝胶的刺激响应性特性。此外，阐述了几个重要的方法来克服普通水凝胶作为柔性电子器件的限制。水凝胶的导电性通常很差，不可能直接在水凝胶上打印电路等。为了提高水凝胶的导电性，本课题组开发了一些方法，如加入导电填料/掺杂物，选择由导电聚合物制成的水凝胶，以及引入双网策略。

机械弱点是开发基于水凝胶的柔性电子器件的另一个关键问题。已经做出了一些努力来改善机械性能，例如，添加填充物/掺杂物，采用有效的能量耗散平台，使用各向异性材料，以及混合系统的实践。在实现自愈能力方面，各种方法也相应地被研究，它可以被归类为两个主要的方法，要么基于动态共价键，要么基于非共价键。此外，水凝胶对其他材料的粘附问题是由于水凝胶特性因水的蒸发而逐渐改变而产生的。水凝胶的长期水稳定性和耐环境性是对基于水凝胶的柔性电子的挑战。引入保湿剂和用弹性体封装是可用来解决粘附问题的一些潜在解决方案。有一些方法可以提高保水性，例如，使用含有更多亲水基团的大分子作为水凝胶的骨架，引入一些有机溶剂，封装水凝胶，引入盐类等。

尽管过去十年在开发基于水凝胶的柔性电子器件方面取得了重大进展，但仍有几个艰巨的挑战阻碍了基于水凝胶的柔性电子器件和谐地成为我们日常生活中的一部分。第一个挑战是基于水凝胶的柔性电子器件的集成问题。目前，水凝胶基柔性电子器件的功能仍然是有限的，而且通常是单一的，未来的水凝胶基柔性电子器件的模式将是理想的多功能。例如，一个理想的生物电子设备应该在灵活性、适应性、生物相容性和舒适性等基本特征的基础上，整合采样、数据生成和传输、自供电和与人类及时互动等功能。所有这些功能的整合需要创造性的想法，并需要利用各种技术创新的融合。另一个关键的挑战是基于水凝胶的柔性电子器件的易裁剪性和适应性，以满足不同情况下日常生活的不同需求。更多的策略应该集中在如何将水凝胶设备与生物系统相结合，包括可穿戴性或植入性。在工程方面，除了数据收集和通信的其他功能要求外，水凝胶的几何形状、长期和/或与温度有关的稳定性以及自我修复能力也应得到改善。也就是说，技术创新和协同效应的加速，包括新材料的发现、对传统材料新特性和功能的探索、材料加工的革命(如增材制造)、以及无线通信的进步(如先进的蓝牙或NFC通信)，使曾经只在科幻小说中想象的强大柔性电子产品越来越接近于我们的日常生活。

文献链接Hydrogel-Based Flexible Electronics, 

http://dx.doi.org/10.1002/adma.202205326