具有双功能应用（抗菌与微电子器件）的镍(II)-超分子半导体金属水凝胶的研发与性能研究

　　本研究开发了一种基于镍(II)和胍基硫脲的新型超分子金属水凝胶（NiC-GT），在常温条件下快速形成，展现出优异的机械稳定性、半导体特性和广谱抗菌活性。通过系统的流变学、结构表征和电学性能测试，证实该材料在柔性电子器件和生物医学领域具有重要应用潜力，为多功能软材料的设计提供了新思路。

　　

在材料科学和生物医学工程的交叉领域，开发兼具多种功能特性的智能软材料一直是研究者追求的目标。传统水凝胶材料虽然具有良好的生物相容性和柔韧性，但往往功能单一，难以满足日益复杂的应用需求。特别是在柔性电子器件和抗菌材料领域，迫切需要一种能够同时具备良好电子传输性能和生物活性的新型材料。金属水凝胶（metallohydrogel）作为超分子化学与材料科学的结合体，通过金属离子与有机配体的自组装形成三维网络结构，不仅保留了水凝胶的特性，还引入了金属中心的独特功能，如电学活性、磁性和催化性能等，为多功能材料设计提供了新的可能。

在这项发表于《RSC Advances》的研究中，由Subhendu Dhibar和Bidyut Saha等人组成的研究团队，成功开发了一种新型镍(II)-胍基硫脲金属水凝胶（NiC-GT），并系统研究了其在微电子器件和抗菌领域的双重应用潜力。

研究人员采用了几种关键实验技术来表征材料的性能和结构：通过流变学分析（rheological analysis）评估凝胶的机械性能和自愈合能力；利用场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察材料的微观形貌；采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析分子间相互作用；通过粉末X射线衍射（PXRD）研究材料的结晶特性；最后通过电流-电压（I-V）特性测试评估其半导体器件性能。抗菌实验采用标准琼脂扩散法，以链霉素为阳性对照，测试了对革兰氏阳性菌（Bacillus subtilis、Staphylococcus aureus）和革兰氏阴性菌（Escherichia coli、Pseudomonas aeruginosa）的抑制效果。

3.1. Rheological analysis

流变学研究表明，NiC-GT金属水凝胶表现出典型的凝胶行为，储能模量（G′）始终大于损耗模量（G′′），表明材料具有以弹性为主的机械特性。在应变扫描测试中，凝胶在0.1%应变范围内保持稳定，而在100%高应变下可逆地转变为溶胶状态，显示出优异的自愈合性能，这为其在可重复使用的柔性器件中的应用奠定了基础。

3.2. Study of morphology

FESEM分析揭示了NiC-GT具有高度有序的分级纤维状微观结构，元素映射（EDX mapping）证实了C、N、O、S、Cl和Ni元素在凝胶基质中的均匀分布，表明形成了均匀稳定的超分子网络结构。

3.3. FT-IR analysis of NiC-GT metallohydrogel

FT-IR光谱分析显示了镍氯键和胍基硫脲特征吸收峰的存在，证实了金属与配体之间的配位作用。在3451、3420、3340和3221 cm^-1处的吸收峰归属于N-H伸缩振动，而1669 cm^-1处的峰则对应于C-N和C≡N伸缩振动以及NH₂弯曲模式的组合，为理解凝胶形成过程中的分子间相互作用提供了重要信息。

3.4. PXRD analysis of NiC-GT metallohydrogel

PXRD分析显示在2θ为5.9°、7.26°、11.52°、19.54°、22.3°、24.6°、26.6°、30.6°、38.3°和43.04°处出现尖锐的衍射峰，表明材料具有半结晶性质，其中一些特征峰与镍氯化物和胍基硫脲的衍射模式相符，证实了这两种组分在凝胶基质中的成功整合。

3.5. Fabrication and electrical characterization of thin film device

电学性能研究表明，基于NiC-GT的ITO/NiC-GT-PMMA/Al器件表现出典型的Schottky二极管行为。通过Cheung方法计算得到理想因子（ideality factor）为1.22，势垒高度（barrier height）为0.79 eV，系列电阻（series resistance）为127.22 Ω，电导率高达1.85 S m^-1，远高于已报道的大多数金属水凝胶材料，表明其具有优异的电荷传输能力，在柔性电子器件中具有广阔的应用前景。

3.6. Inhibiting activity for pathogens

抗菌实验结果显示，NiC-GT对Escherichia coli（14±0.18 mm）、Pseudomonas aeruginosa（17±0.2 mm）和Staphylococcus aureus（16±0.12 mm）均产生明显的抑制圈，而对Bacillus subtilis则无抑制效果，表现出选择性抗菌活性。特别是对已知具有多重抗生素耐药性的Pseudomonas aeruginosa的有效抑制，突出了该材料在对抗耐药菌方面的潜在价值。

该研究成功开发了一种具有双重功能的新型镍(II)-金属水凝胶，其独特的超分子结构赋予了材料优异的机械性能、半导体特性和抗菌活性。通过系统的材料表征和性能测试，研究人员证实了这种材料在柔性电子器件和生物医学应用中的巨大潜力。NiC-GT金属水凝胶不仅展示出了高达1.85 S m^-1的电导率，还表现出对多种病原菌的抑制能力，特别是对耐药性较强的Pseudomonas aeruginosa具有显著效果。这种将电子性能与生物活性集成于单一材料系统中的策略，为开发新一代智能软材料提供了新的思路和方法，有望在柔性电子、生物传感器和抗菌治疗等领域发挥重要作用。研究的创新性在于采用简单温和的合成方法，实现了多功能一体化材料的设计，为超分子材料在交叉学科领域的应用开辟了新的方向。