Nature‐Inspired Molecular‐Crowding Enabling Wide‐Humidity Range Applicable, Anti‐Freezing, and Robust Zwitterionic Hydrogels for On‐Skin Electronics

自愈水凝胶 材料科学 纳米技术 蒸发 相对湿度 湿度 化学工程 聚乙烯醇 复合材料 高分子化学 物理 热力学 工程类
作者
Min Gong,Xiaobo Wang,Zhen Wu,Liancong Yue,Qiuji Chen,Hejian Li,Xiang Lin,Liang Zhang,Dongrui Wang
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:20 (30): e2400161-e2400161 被引量:37
标识
DOI:10.1002/smll.202400161
摘要

Hydrogels are currently in the limelight for applications in soft electronics but they suffer from the tendency to lose water or freeze when exposed to dry environments or low temperatures. Molecular crowding is a prevalent occurrence in living cells, in which molecular crowding agents modify the hydrogen bonding structure, causing a significant reduction in water activity. Here, a wide-humidity range applicable, anti-freezing, and robust hydrogel is developed through the incorporation of natural amino acid proline (Pro) and conductive MXene into polyvinyl alcohol (PVA) hydrogel networks. Theoretical calculations reveal that Pro can transform "free water" into "locked water" via the molecular-crowding effect, thereby suppressing water evaporation and ice forming. Accordingly, the prepared hydrogel exhibits high water retention capability, with 77% and 55% being preserved after exposure to 20 °C, 28% relative humidity (RH) and 35 °C, 90% RH for 12 h. Meanwhile, Pro lowers the freezing temperature of the hydrogel to 34 °C and enhances its stretchability and strength. Finally, the PVA/Pro/MXene hydrogels are assembled as multifunctional on-skin strain sensors and conductive electrodes to monitor human motions and detect tiny electrophysiological signals. Collectively, this work provides a molecular crowding strategy that will motivate researchers to develop more advanced hydrogels for versatile applications.
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