凝膠是一種特殊的分散體系。凝膠最初是指在高分子形成的三維網絡結構中吸收液體的材料。溶膠或溶液中的膠體粒子或高分子在一定條件下互相連接，形成空間網狀結構，結構空隙中充滿了作為分散介質的液體，這樣就構成了凝膠。其實大家所吃的魔芋就是一種凝膠，我們小時候喜歡吃的果凍也是一種凝膠。
凝膠兼具“液體”和“固體”雙重性質，在各個領域都有廣泛的應用。本篇內容旨在介紹導電型凝膠。導電型凝膠大致分為3類：離子負載凝膠，導電型高分子凝膠，超分子導電型凝膠。
凝膠可分為化學凝膠和物理凝膠。形成三維網狀結構的高分子通過共價鍵連接在一起的凝膠被稱為化學凝膠，通過非共價鍵相互作用連接在一起的凝膠被稱為物理凝膠?；瘜W凝膠中因為共價鍵可以形成穩定交叉鏈接，所以化學凝膠一般都很堅硬且具有脆性，化學凝膠的形成過程為不可逆過程。而物理凝膠中，非共價鍵形成的交叉鏈接很容易被打破，故而溶膠和凝膠之間的相變是可逆的（圖1）。文章后面我將講到的超分子導電凝膠就屬于物理凝膠。
圖1 化學凝膠和物理凝膠的區別
導電型凝膠有以下3個特征:
1. 離子和小分子可以容易地擴散到高分子網絡凝膠中的空腔中。
2. 因為高分子網絡可以吸收（溶脹）溶劑，所以在高分子鏈和溶液之間會產生顯著的相互作用
3. 可以如固體般保持穩定的形狀，但又具有液體的流動性
由于導電凝膠具有這些特點，所以導電凝膠可被用作一種柔軟的，可拉伸的導電材料，用于電極，傳感器和執行器（一種將電信號的輸入轉換為物理運動的裝置）。如下圖所示，導電凝膠可以分為3類（圖2）。
圖2 導電型凝膠的種類
（1）離子負載凝膠：高分子三維網絡（交叉鏈接）中充斥著離子，離子像溶劑一樣充滿高分子網絡，離子的移動使凝膠具有導電性質的凝膠。
（2）導電型高分子凝膠：由于π共軛高分子自身的電子移動引起導電性的凝膠。
（3）超分子導電型凝膠：小分子通過非共價鍵相互作用互相纏繞形成的凝膠，其通過大量存在的共軛π電子表現出導電性。
這三種導電型凝膠因性質差異能被分別應用到不同的領域。下面我來詳細介紹它們各自的特點。
圖3 3種導電型凝膠各自的應用領域
1、離子負載凝膠
離子負載凝膠是指大量含有金屬離子，氫離子或離子液體的凝膠。與金屬離子和氫離子相溶性優異的高分子有聚丙烯酰胺類聚合物和聚甲基丙烯酸酯類聚合物。與離子液體相溶性優異的高分子代表性的有聚（偏二氟乙烯-六氟丙烯）共聚物[P（VDF-HFP）]。離子液體有1-乙基-3-甲基咪唑鎓（1-ethyl-3-methylimidazolium:EMIM）（圖4）。
圖4 高分子和離子液體的結構式
由離子負載凝膠制成的膜具有機械柔韌性，表面積大，化學性質穩定，透明度高和一定的離子傳導性等一系列優點，用于燃料電池，鋰離子電池和致動器的制造。離子負載凝膠由嵌段共聚物和離子液體構成，所以離子負載凝膠的缺點就是合成步驟繁瑣。而且離子負載凝膠的導電率并不是很高，如果你需要像金屬那樣高的導電率的話，顯然離子負載凝膠并不是一個好的選擇。
2、導電型高分子凝膠
導電型高分子凝膠有聚噻吩（PTh型）、聚苯胺(PANI)型、聚吡咯（PPy）型等，多為具有π共軛體系的高分子鏈（圖8）。
圖5 導電型高分子的結構式
在這里筆者要介紹一種導電型高分子凝膠，它能在體內傳遞細胞，由苯胺四聚體（CS-AT）和以二苯甲醛為末端的聚乙二醇（PEG-DA）合成的凝膠就屬于這一種，這種凝膠具有優異的導電性，自我修復性和生物相容性，所以可用作心臟再生的細胞載體（圖9）。將目標細胞注射進導電型高分子凝膠后，目標細胞通過自我修復功能恢復到注射前的狀態，因為導電型高分子凝膠的生物相容性很好，所以注射進凝膠的細胞的生存率都很高。并且該款凝膠擁有與心臟組織同等程度的導電率，所以可以用來再生心臟組織來滿足心肌梗塞治療中對心肌細胞需求。
圖6 CS-AT凝膠
3、超分子導電型凝膠
超分子導電型凝膠具有優秀的的外部刺激應答性，可用于電壓等電致發光(EL)，傳感器，光電器件等。但是超分子導電型凝膠和其他導電型凝膠比起來存在著導電性差，機械強度低等缺點，所以通常要和其他高分子或碳納米材料合用。
從圖1可以看到，超分子導電型凝膠大致可分為4類：超分子離子凝膠，超分子金屬凝膠，π-凝膠化超分子還有碳納米材料超分子凝膠。
超分子離子凝膠由低分子集合體和作為溶劑的離子液體所組成，其導電性和單純的離子液體旗鼓相當。超分子金屬凝膠是網絡結構中至少含有一種金屬元素的凝膠，其導電性高于其他超分子凝膠。π-凝膠化超分子是一種通過功能性π-凝膠化劑的自組裝形成導電路徑（纖維）的凝膠，因為導電路徑上的膠凝劑分子之間π軌道的重疊非常之多，所以π-凝膠化超分子的導電率非常地高。碳納米材料超分子凝膠是一種通過碳納米材料（如石墨烯和碳納米管(CNT)）的自組裝，通過與高分子，低分子和離子的物理交聯而表現出導電性的凝膠。
本文來自Chem-Station日文版 導電性ゲル Conducting Gels: 流れない流體に電気を流すお話 Monica
參考論文
Chakraborty, P.; Das, S.; Nandi, A. K. “Conducting gels: A chronicle of technological advances” Progress in Polymer Science 2019, 88, 189. DOI:10.1016/j.progpolymsci.2018.08.004
