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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)空隙中充滿了作為分散介質(zhì)的液體，這樣就構(gòu)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(zhì)，在各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。本篇內(nèi)容旨在介紹導(dǎo)電型凝膠。導(dǎo)電型凝膠大致分為3類：離子負(fù)載凝膠，導(dǎo)電型高分子凝膠，超分子導(dǎo)電型凝膠。

凝膠可分為化學(xué)凝膠和物理凝膠。形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子通過共價鍵連接在一起的凝膠被稱為化學(xué)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(xué)凝膠中因為共價鍵可以形成穩(wěn)定交叉鏈接，所以化學(xué)凝膠一般都很堅硬且具有脆性，化學(xué)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(dǎo)電凝膠就屬于物理凝膠。

圖1 化學(xué)凝膠和物理凝膠的區(qū)別

導(dǎo)電型凝膠有以下3個特征:

1. 離子和小分子可以容易地擴(kuò)散到高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠中的空腔中。
2. 因為高分子網(wǎng)絡(luò)可以吸收（溶脹）溶劑，所以在高分子鏈和溶液之間會產(chǎn)生顯著的相互作用
3. 可以如固體般保持穩(wěn)定的形狀，但又具有液體的流動性

由于導(dǎo)電凝膠具有這些特點(diǎn)，所以導(dǎo)電凝膠可被用作一種柔軟的，可拉伸的導(dǎo)電材料，用于電極，傳感器和執(zhí)行器（一種將電信號的輸入轉(zhuǎn)換為物理運(yùn)動的裝置）。如下圖所示，導(dǎo)電凝膠可以分為3類（圖2）。

圖2 導(dǎo)電型凝膠的種類

（1）離子負(fù)載凝膠：高分子三維網(wǎng)絡(luò)（交叉鏈接）中充斥著離子，離子像溶劑一樣充滿高分子網(wǎng)絡(luò)，離子的移動使凝膠具有導(dǎo)電性質(zhì)的凝膠。
（2）導(dǎo)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(dǎo)電性的凝膠。
（3）超分子導(dǎo)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(xiàn)出導(dǎo)電性。

這三種導(dǎo)電型凝膠因性質(zhì)差異能被分別應(yīng)用到不同的領(lǐng)域。下面我來詳細(xì)介紹它們各自的特點(diǎn)。

圖3 3種導(dǎo)電型凝膠各自的應(yīng)用領(lǐng)域

1、離子負(fù)載凝膠

離子負(fù)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(yōu)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(yōu)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(jié)構(gòu)式

由離子負(fù)載凝膠制成的膜具有機(jī)械柔韌性，表面積大，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，透明度高和一定的離子傳導(dǎo)性等一系列優(yōu)點(diǎn)，用于燃料電池，鋰離子電池和致動器的制造。離子負(fù)載凝膠由嵌段共聚物和離子液體構(gòu)成，所以離子負(fù)載凝膠的缺點(diǎn)就是合成步驟繁瑣。而且離子負(fù)載凝膠的導(dǎo)電率并不是很高，如果你需要像金屬那樣高的導(dǎo)電率的話，顯然離子負(fù)載凝膠并不是一個好的選擇。

2、導(dǎo)電型高分子凝膠

導(dǎo)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(dǎo)電型高分子的結(jié)構(gòu)式

在這里筆者要介紹一種導(dǎo)電型高分子凝膠，它能在體內(nèi)傳遞細(xì)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(yōu)異的導(dǎo)電性，自我修復(fù)性和生物相容性，所以可用作心臟再生的細(xì)胞載體（圖9）。將目標(biāo)細(xì)胞注射進(jìn)導(dǎo)電型高分子凝膠后，目標(biāo)細(xì)胞通過自我修復(fù)功能恢復(fù)到注射前的狀態(tài)，因為導(dǎo)電型高分子凝膠的生物相容性很好，所以注射進(jìn)凝膠的細(xì)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(dǎo)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(xì)胞需求。

圖6 CS-AT凝膠

3、超分子導(dǎo)電型凝膠

超分子導(dǎo)電型凝膠具有優(yōu)秀的的外部刺激應(yīng)答性，可用于電壓等電致發(fā)光(EL)，傳感器，光電器件等。但是超分子導(dǎo)電型凝膠和其他導(dǎo)電型凝膠比起來存在著導(dǎo)電性差，機(jī)械強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，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(dǎo)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(dǎo)電性和單純的離子液體旗鼓相當(dāng)。超分子金屬凝膠是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中至少含有一種金屬元素的凝膠，其導(dǎo)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(dǎo)電路徑（纖維）的凝膠，因為導(dǎo)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(dǎo)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(lián)而表現(xiàn)出導(dǎo)電性的凝膠。

本文來自Chem-Station日文版 導(dǎo)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