Extreme Toughening of Conductive Hydrogels Through Synergistic Effects of Mineralization, Salting‐Out, and Ion Coordination Induced by Multivalent Anions

材料科学 自愈水凝胶 韧性 化学工程 复合材料 断裂韧性 聚乙烯醇 离子电导率 电导率 纳米片 电解质 纳米技术 高分子化学 化学 电极 物理化学 工程类
作者
Hongmei Luo,Lichao Jiang,Yuxin Guo,Min Li,Longyu Hu,Hao Chen,Wei Cui,Rong Ran
出处
期刊:Small [Wiley]
标识
DOI:10.1002/smll.202409565
摘要

Abstract Developing conductive hydrogels with both high strength and fracture toughness for diverse applications remains a significant challenge. In this work, an efficient toughening strategy is presented that exploits the multiple enhancement effects of anions through a synergistic combination of mineralization, salting‐out, and ion coordination. The approach centers on a hydrogel system comprising two polymers and a cation that is highly responsive to anions. Specifically, polyvinyl alcohol (PVA) and chitosan quaternary ammonium (HACC) are used, as PVA benefits from salting‐out effects and HACC undergoes ion coordination with multivalent anions. After just 1 h of immersion in an anionic solution, the hydrogel undergoes a dramatic improvement in mechanical properties, increasing by more than three orders of magnitude. The optimized hydrogel achieves high strength (26 MPa), a high Young's modulus (45 MPa), and remarkable fracture toughness (67.3 kJ m −2 ), representing enhancements of 860, 3200, and 1200 times, respectively, compared to its initial state. This breakthrough overcomes the typical trade‐off between stiffness and toughness. Additionally, the ionic conductivity of the hydrogel enables reliable strain sensing and supports the development of durable supercapacitors. This work presents a simple and effective pathway for developing hydrogels with exceptional strength, toughness, and conductivity.
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