近年來，導電水凝膠在柔性電子產品（如觸控式螢幕、可穿戴設備和柔性儲能設備）中得到了迅速發展。導電水凝膠通常由聚合物網絡、吸收的水和導電/離子導電介質組成，其中聚合物網絡在决定整體效能方面起著至關重要的作用。迄今為止，合成聚合物仍然是研究和商業角度優選的聚合物主鏈。雖然它們可賦予水凝膠機械柔韌性、高吸水性和良好的生物相容性，但這些聚合物生物降解性差。可生物降解的纖維素長期以來被認為是最有希望替代合成聚合物的候選者之一。現時，通過引入導電聚合物、碳基納米材料和離子液體作為導電介質，已實現了多種離子/導電纖維素水凝膠。然而，由於離子電荷載體會破壞纖維素之間的氫鍵網絡，開發具有高機械強度和離子電導率的纖維素水凝膠仍然極具挑戰性。
鑒於此，中國林業科學研究院劉鶴研究員與武漢大學陳朝吉教授共同提出了一種超分子工程策略，用從自然界中資源豐富的纖維素和膨潤土（BT）設計和構建機械强度高的離子導電水凝膠。BT納米片被證明能够在纖維素/BT水凝膠中形成緻密且强的Al-O-C交聯鍵和氫鍵網絡，從而完全減輕無機鹽對機械效能的不利影響。由纖維素大分子分離的BT納米片可以作為快速離子傳輸通道，進一步提高離子電導率。全天然纖維素-BT水凝膠不僅具有强度高（抗壓強度高達3.2 MPa）、韌性强（斷裂能高達0.45 MJ m−3）的獨特優勢，而且還展現出高離子傳導性和抗凍性（25和-20 °C時的離子傳導性分別為89.9和25.8 mS cm-1）。全天然水凝膠簡便且可擴展的製備工藝以及出色的機械和離子效能為其實際應用奠定了堅實的基礎。相關工作以“Strong，tough，ionic conductive，and freezing-tolerant all-natural hydrogel enabled by cellulose-bentonite coordination interactions”為題發表在國際頂級期刊《Nature Communications》上。
纖維素/BT水凝膠的製備與表徵
作者開發了一種强且高離子導電的全天然纖維素-BT水凝膠，相鄰BT納米片之間的間隙空間用作快速離子傳輸的直通道（圖1）。纖維素/BT混合物溶液看起來均勻且透明。凝膠化2小時後，獲得了一種不流動的纖維素/BT水凝膠。然後將其浸入去離子水中以去除NaOH和尿素，直到檢測到pH值約為7.0。將中性水凝膠浸泡在LiCl水溶液中，得到離子導電纖維素-BT（簡稱Ion-CB）水凝膠。Ion-CB水凝膠從外表面到內部的LiCl鹽濃度分佈是均勻的。Ion-CB水凝膠表現出前所未有的高機械強度、高離子電導率和低成本的組合，其效能優於之前報導的絕大多數離子導電水凝膠。Ion-CB水凝膠顯示出良好的尺寸穩定性，在長時間的儲存過程中沒有液體洩漏（圖2）。纖維素和BT納米片之間的微妙相互作用，觀察到纖維素納米原纖維和BT納米片相互緊密糾纏在一起，提供了纖維素-BT强相互作用的明顯證據。
圖1纖維素/BT水凝膠的製備
圖2纖維素、BT和纖維素/BT水凝膠的結構和形態分析
理論類比與機械效能表徵
作者通過密度泛函理論（DFT）計算了不同環境下分子間相互作用的結合能。當將LiCl引入纖維素-水體系中時，纖維素內的相互作用能顯著降低至-0.459 eV。纖維素和BT之間的結合能計算為-5.435 eV。類比結果表明，纖維素和BT之間的Al-O-C交聯是Ion-CB水凝膠優异機械效能的主要原因（圖3）。此外，Ion-CB水凝膠可以很容易地保持1 kg的重量而變形很小，證明了它的高剛度和韌性。迴圈彎曲和衝擊測試表明，Ion-CB水凝膠在去除外力後可以立即恢復其初始形狀，這是良好彈性的名額。Ion-CB水凝膠在80%的斷裂應變下表現出3.2 MPa的最大壓縮應力，最大壓縮應力和斷裂應變分別是Ion-C水凝膠的18.9倍和1.5倍（圖4）。Ion-CB水凝膠的拉伸斷裂應力在96%的高斷裂應變下達到0.76 MPa，對應於令人印象深刻的0.45 MJ m-3的高斷裂能。
圖3 BT對纖維素-纖維素和纖維素-BT相互作用的影響
圖4纖維素水凝膠的機械效能
離子電導率和抗凍效能
用0 M LiCl浸泡的纖維素水凝膠是不導電的，因為沒有離子載體。Ion-CB水凝膠（用2 M LiCl浸泡的纖維素/BT水凝膠）表現出令人印象深刻的89.9 mS cm-1的高離子電導率，比Ion-C水凝膠高19%（圖5）。當溫度降至-20 °C時，Ion-CB水凝膠仍可提供25.8 mS cm-1的高離子電導率，超過大多數先前報導的導電水凝膠。LiCl的引入確實抑制了水凝膠的凝固，從而在極低的溫度下實現了高離子電導率。作為概念驗證演示，作者將其用作感測器來檢測身體運動和生理體征，人類行為，包括觸摸、伸展、彎曲和吞咽，可以通過與外力引起的變形相關的相對阻力響應來監測。更重要的是，當水凝膠粘附在人體模型上並在-20 °C下彎曲時，還實現了具有高信噪比的可重複電阻響應，這意味著Ion-CB水凝膠具有較長的使用壽命和良好的可靠性。
圖5高離子電導率和抗凍性機理研究
小結：作者用纖維素和BT設計和構建機械强度高的離子導電水凝膠。BT納米片被證明能够在纖維素/BT水凝膠中形成緻密且强的Al-O-C交聯鍵和氫鍵網絡，從而完全減輕無機鹽對機械效能的不利影響。無機鹽確保了良好的抗凍性，並提高了水凝膠在低溫下的機械柔韌性和離子電導率。設計合理的纖維素/BT水凝膠具有優异的機械效能、極高的離子電導率和出色的抗凍性（-28.9 °C）。這裡開發的纖維素/BT水凝膠在柔性電子產品中具有巨大的實際應用潜力。