在水下探索、海洋作业和软体机器人等领域，稳定可靠的水下通讯系统是迫切的技术需求。然而，开发适用于动态水环境的高性能水凝胶柔性器件，长期面临一个棘手的“不可能三角”：如何同时实现出色的抗溶胀能力、强大的机械韧性以及材料的完全可回收性？传统水凝胶一旦遇水便会剧烈溶胀，导致机械性能下降、导电通路破坏和信号失真；而通过高交联密度或疏水改性来抑制溶胀，又往往会牺牲材料的韧性、弹性或导电性，更不可能实现环保的可回收性。

  针对这一核心挑战，重庆师范大学柳具盆与西北大学于游团队合作，在《ACS Macro Letters》上提出了一种协同疏水-Hofmeister效应（SHHE）策略，成功制备了集抗溶胀、高韧性与可回收性于一身的水凝胶材料（RTASH），为下一代可持续水下柔性电子器件提供了创新平台。

图1：RTASH水凝胶的制备、性能与应用示意图。

图2：RTASH的凝胶化机理及其结构与组成表征。

  该研究摒弃了传统依赖强共价交联或不可逆物理吸附的思路，转而利用巧妙的物理相互作用设计。团队首先通过醛缩合反应，在聚乙烯醇（PVA）骨架上接枝线性烷基链（C2-C12），对其进行疏水改性。随后，利用氨气诱导的物理交联初步形成稳定的网络前驱体。最关键的一步，是将此凝胶浸入含有盐析离子（如CO?2?, SO?2?） 的溶液中。在这一过程中，疏水效应与Hofmeister盐析效应产生协同增强作用。

图3：协同疏水-Hofmeister效应（SHHE）的增强机制示意图。

  Hofmeister效应：高价盐离子（特别是CO?2?, SO?2?）能有效破坏PVA的水化壳，促进聚合物链的结晶与有序排列，并与聚合物网络形成有机-无机复合结构，从而大幅提升材料的刚度和强度。这两种效应的协同（而非简单叠加），使得凝胶网络在没有任何共价键的情况下，仅通过动态物理交联，就构建出致密且坚韧的三维结构，一举攻克了抗溶胀、高韧性和可回收性难以兼顾的难题。

图4：RTASH水凝胶的核心性能。

  基于SHHE策略制备的RTASH展现出一系列令人瞩目的综合性能：超强抗溶胀：在水下浸泡60天后，溶胀率仍低于5%，尺寸几乎不变，远超多数已报道材料。优异机械性能：断裂韧性高达1.9 MJ m?3，同时保持了良好的弹性。稳定离子电导率：约为0.35 S m?1，为稳定传感提供了基础。出色的可回收性：得益于全物理交联网络，材料可完全溶解并再加工。即使经过三次回收循环，再生的凝胶仍能保留超过80%的原始机械强度，直接回应了电子器件可持续性的诉求。宽环境耐受性：对不同盐度、pH值的溶液均表现出良好的抗溶胀和性能稳定性。

  研究人员将RTASH水凝胶制作成水下应变传感器。该传感器表现出高灵敏度（GF=0.6）、快速响应（0.3秒）以及在60天连续水下操作中卓越的长期稳定性。其稳定的电信号输出和可靠的动态响应，使其能够准确区分短时和长时的弯曲输入。

图5：基于RTASH水凝胶传感器实现水下莫尔斯电码通信。

  基于此，研究团队成功演示了实时水下莫尔斯电码通信。通过将短时弯曲映射为“点”（.），长时弯曲映射为“划”（-），传感器能将机械刺激可靠地转换为电信号。编程化的弯曲操作成功输出了国际求救信号“SOS”（??? --- ???）的完整电阻波形，信号段清晰且重复性极佳。这充分验证了该传感器作为可靠、可编程水下应急通信接口的潜力。

小结与展望

  本研究提出的协同疏水-Hofmeister效应（SHHE）策略，通过理性的分子设计，巧妙地利用动态物理交联，成功破解了水凝胶材料中抗溶胀性、机械韧性与可回收性之间长期存在的性能矛盾。所制备的RTASH水凝胶在各项性能上取得了卓越的平衡，并成功应用于水下莫尔斯码通信，展现了其在海洋探索、软体机器人和可穿戴电子等领域的广阔应用前景。这项工作不仅为设计可持续的高性能水凝胶材料提供了新范式，也为发展环境自适应的柔性电子技术开辟了新道路。

  论文信息：

  标题: Synergistic Hydrophobic and Hofmeister Effects Drive Recyclable, Tough, and Antiswelling Hydrogels for Underwater Communication

  作者: Jupen Liu, Rongzheng Wang, Ting Li, Wei Lu, Huihui Tan, Qin Huang, Lin Tang, You Yu

  期刊: ACS Macro Letters

  原文链接: https://doi.org/10.1021/acsmacrolett.6c00140