北京工業(yè)大學(xué)趙治、宋曉艷教授團(tuán)隊(duì) Adv. Mater.: 獨(dú)特分子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造方法創(chuàng)造負(fù)溶脹凝膠

2025-03-09 來源：高分子科技

水凝膠具有優(yōu)異理化特性，廣泛用于先進(jìn)功能材料與智能材料。水下溶脹是水凝膠材料的一大通性。溶脹可導(dǎo)致凝膠機(jī)械強(qiáng)度下降與結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，對(duì)其應(yīng)用表現(xiàn)造成巨大影響。開發(fā)具有負(fù)溶脹率，即在水中脫水的新型凝膠可有效解決上述問題。然而，凝膠高分子網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)稟親水性與制備態(tài)凝膠的不飽和含水量使凝膠天然具有吸水傾向，達(dá)成負(fù)溶脹面臨極大挑戰(zhàn)。現(xiàn)有技術(shù)尚無法在不依賴特殊條件下實(shí)現(xiàn)凝膠水中自發(fā)脫水。

探索新型凝膠材料設(shè)計(jì)制備方法，以突破性分子作用機(jī)制實(shí)現(xiàn)水凝膠的自發(fā)負(fù)溶脹是當(dāng)下亟需解決的前沿課題。近期，北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院趙治、宋曉艷教授團(tuán)隊(duì)基于近期力學(xué)響應(yīng)性凝膠與凝膠受限溶脹行為方面的最新成果，提出了一種構(gòu)造負(fù)溶脹凝膠的全新方法。以具備力學(xué)響應(yīng)特征的高分子網(wǎng)絡(luò)作為實(shí)現(xiàn)自發(fā)負(fù)溶脹的關(guān)鍵基元，利用其在外力作用下發(fā)生自組裝與團(tuán)聚這一特性誘發(fā)凝膠體積収縮。以常規(guī)化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與力學(xué)響應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建相互穿插的雙重網(wǎng)絡(luò)，二者間的相互纏結(jié)使得凝膠內(nèi)的力學(xué)作用可以在網(wǎng)絡(luò)間傳遞，同時(shí)二者可互為對(duì)方的溶脹限制結(jié)構(gòu)。上述獨(dú)特凝膠結(jié)構(gòu)置于水中時(shí)滲透壓會(huì)溶脹常規(guī)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)其內(nèi)部水壓；力學(xué)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)在壓力環(huán)境下發(fā)生自組裝收縮，形成高穩(wěn)定性顆粒相。由于網(wǎng)絡(luò)間纏結(jié)，力學(xué)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)團(tuán)聚過程會(huì)牽引常規(guī)網(wǎng)絡(luò)，限制其溶脹并最終導(dǎo)致互穿網(wǎng)絡(luò)整體排水收縮。上述機(jī)制已被多種表征手段證實(shí)（圖1）。

圖1 負(fù)溶脹機(jī)理研究

上述凝膠的負(fù)溶脹行為受多種材料體系自身參數(shù)與環(huán)境因素影響。實(shí)驗(yàn)中對(duì)于反應(yīng)物結(jié)構(gòu)、反應(yīng)物配比等對(duì)產(chǎn)物負(fù)溶脹熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)的影響規(guī)律進(jìn)行了研究，闡明了其作用機(jī)理并對(duì)負(fù)溶脹的發(fā)生速率與程度進(jìn)行了大幅優(yōu)化。同時(shí)還研究了真實(shí)環(huán)境條件，如溫度、pH、離子濃度等對(duì)負(fù)溶脹的影響，明確了負(fù)溶脹適用的條件范圍并建立了基于環(huán)境因素進(jìn)一步強(qiáng)化負(fù)溶脹的有效策略（圖2）。

圖2 負(fù)溶脹行為的調(diào)控

與負(fù)折射率、負(fù)熱膨脹系數(shù)等反常性質(zhì)類似，負(fù)溶脹可使得凝膠材料的性能在更廣闊維度上被調(diào)控，創(chuàng)造出常規(guī)凝膠難以具備的功能特性，進(jìn)而大幅拓展其可應(yīng)用的場(chǎng)景。本研究對(duì)負(fù)溶脹凝膠的力學(xué)、電化學(xué)、環(huán)境響應(yīng)特征進(jìn)行了系統(tǒng)表征，并開展了潛在應(yīng)用研究。例如，基于負(fù)溶脹凝膠水下強(qiáng)韌化特征可開發(fā)高性能耐水柔性材料；利用其反向溶脹特性可大幅提升智能材料環(huán)境響應(yīng)性；其體積收縮伴隨的牽引能力有望應(yīng)用于損傷修復(fù)。對(duì)負(fù)溶脹凝膠的不斷深入研究必將發(fā)掘出越來越廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景（圖3）。

圖3 負(fù)溶脹帶來的獨(dú)特凝膠性能與潛在應(yīng)用

該工作以“Hydration Induces Dehydration: Creating Negative Swelling Gel by a Paradox”為題發(fā)表在材料學(xué)頂刊《Advanced Materials》上（Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.202500104）。文章第一兼通訊作者是北京工業(yè)大學(xué)趙治教授，共同通訊作者是北京工業(yè)大學(xué)宋曉艷教授。該研究依托材料低碳循環(huán)再生全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、新型功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，并得到國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202500104

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（責(zé)任編輯：xu）

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