凝膠是一種特殊的分散體(ti) 係。凝膠最初是指在高分子形成的三維網絡結構中吸收液體(ti) 的材料。溶膠或溶液中的膠體(ti) 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(wei) 分散介質的液體(ti) ，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(men) 小時候喜歡吃的果凍也是一種凝膠。
凝膠兼具“液體(ti) ”和“固體(ti) ”雙重性質，在各個(ge) 領域都有廣泛的應用。本篇內(nei) 容旨在介紹導電型凝膠。導電型凝膠大致分為(wei) 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(wei) 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(jia) 鍵連接在一起的凝膠被稱為(wei) 化學凝膠，通過非共價(jia) 鍵相互作用連接在一起的凝膠被稱為(wei) 物理凝膠。化學凝膠中因為(wei) 共價(jia) 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(wei) 不可逆過程。而物理凝膠中，非共價(jia) 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）。文章後麵我將講到的超分子導電凝膠就屬於(yu) 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(wei) 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(hui) 產(chan) 生顯著的相互作用
3. 可以如固體(ti) 般保持穩定的形狀，但又具有液體(ti) 的流動性
由於(yu) 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，用於(yu) 電極，傳(chuan) 感器和執行器（一種將電信號的輸入轉換為(wei) 物理運動的裝置）。如下圖所示，導電凝膠可以分為(wei) 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：由於(yu) 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(jia) 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。下麵我來詳細介紹它們(men) 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(ti) 的凝膠。與(yu) 金屬離子和氫離子相溶性優(you) 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(yu) 離子液體(ti) 相溶性優(you) 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(ti) 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(ti) 的結構式
由離子負載凝膠製成的膜具有機械柔韌性，表麵積大，化學性質穩定，透明度高和一定的離子傳(chuan) 導性等一係列優(you) 點，用於(yu) 燃料電池，鋰離子電池和致動器的製造。離子負載凝膠由嵌段共聚物和離子液體(ti) 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並不是很高，如果你需要像金屬那樣高的導電率的話，顯然離子負載凝膠並不是一個(ge) 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(wei) 具有π共軛體(ti) 係的高分子鏈（圖8）。
圖5 導電型高分子的結構式
在這裏筆者要介紹一種導電型高分子凝膠，它能在體(ti) 內(nei) 傳(chuan) 遞細胞，由苯胺四聚體(ti) （CS-AT）和以二苯甲醛為(wei) 末端的聚乙二醇（PEG-DA）合成的凝膠就屬於(yu) 這一種，這種凝膠具有優(you) 異的導電性，自我修複性和生物相容性，所以可用作心髒再生的細胞載體(ti) （圖9）。將目標細胞注射進導電型高分子凝膠後，目標細胞通過自我修複功能恢複到注射前的狀態，因為(wei) 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。並且該款凝膠擁有與(yu) 心髒組織同等程度的導電率，所以可以用來再生心髒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(you) 秀的的外部刺激應答性，可用於(yu) 電壓等電致發光(EL)，傳(chuan) 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(cong) 圖1可以看到，超分子導電型凝膠大致可分為(wei) 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(ti) 和作為(wei) 溶劑的離子液體(ti) 所組成，其導電性和單純的離子液體(ti) 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，其導電性高於(yu) 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(wei) 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(yu) 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 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
