北京工业大学赵治、宋晓艳教授团队《Chem. Mater.》：贝类丝足结构仿生水凝胶实现可持续的无水泥土壤加固

2022-12-01 来源：高分子科技

利用水凝胶替代水泥类材料作为岩土稳定剂具有良好的可持续性与环境价值。然而，水凝胶遇水吸胀机械性能大幅下降，故而其应用场景收到很大局限。受到贝类丝足启发，本研究开发了一种具有良好水下稳定性的仿生水凝胶岩土稳定剂，在土壤中可自发形成类似贝类丝足的异质结构。该结构具有良好的机械强度和优异的抗溶胀性能，可在各种自然环境中保持岩土的稳定性。此外，该材料展现出的透水、保水性对生态系统的可持续发展也具有促进作用。

图1 贝类丝足与仿生水凝胶微观结构的对比

近期，北京工业大学材料与制造学部赵治、宋晓艳教授团队开发了一种具有贝类丝足结构的仿生水凝胶材料，并展示了其在可持续土壤加固中的应用。该研究利用协同作用的分子间氢键与疏水团聚作用，使水凝胶固化过程中自发形成具有纤维状结构的软核和具有颗粒状外观的硬壳。同时，在表面亲水性的影响下，与土壤颗粒接触的界面处水凝胶会形成网状结构，并与土壤颗粒形成牢固结合。这种异质结构水凝胶与贝类丝足具有高度的微观相似性（图1）。贝类丝足的特征结构使其可在沙滩、礁石等极度潮湿表面稳定附着。与之相似，该仿生水凝胶材料也展现出极强的水下稳定性与土壤加固能力。在浸泡72小时后，仿生水凝胶加固的土壤无明显体积膨胀，其抗压强度仍可保持在1 MPa左右。在环境测试中，仿生水凝胶展现出优异的热稳定性与光照稳定性，并可使加固土壤达到最高2.9 MPa的抗压强度，与波特兰水泥相当。此外，使用水凝胶加固剂还可赋予土壤良好的透水性与保水性，这对于生态环境中动植物的生存具有重要意义（图2）。综上，本研究展现的仿生土壤加固剂充分借鉴了生物结构的优异机械特性与防水特性，使得在真实环境中应用水凝胶加固土壤成为可能。利用该材料替代水泥有望减少水泥产业的碳排放、降低现有土壤加固方法对环境的影响，对可持续发展与实现“双碳”目标具有重要意义。该工作以“Sustainable Cement-Free Soil Stabilization via a Mussel Mimicry, Water-Resistant Hydrogel”为题发表在《Chemistry of Materials》上（Chem. Mater., DOI: 10.1021/acs.chemmater.2c02350）。文章第一兼通讯作者是北京工业大学赵治教授，共同通讯作者是北京工业大学宋晓艳教授。该研究得到国家自然科学基金的支持。

图2 仿生水凝胶土壤加固剂的环境测试

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c02350

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（责任编辑：xu）

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