中山大学郭辉团队《Mater. Horiz.》：模量调节幅度超36000倍的智能玻璃态水凝胶

2023-01-15 来源：高分子科技

自然界的智能机体可以根据环境中小分子的改变而智能性的改变其力学性质。受其启发，近年来科研工作者在仿生智能材料领域成果卓著。尤其，机械性能具有小分子刺激响应性的智能水凝胶材料备受瞩目。在仿效自然的过程中，相关的研究报道频出，但其与自然界的智能机体仍相去甚远。首先，现有的智能凝胶的机械性质通常很难因小分子的引入而发生大幅的模量变化；其次，现有的水凝胶体系的体积通常会随小分子的刺激而发生大幅变化，进而严重限制了材料的应用。因此，如何在不改变凝胶溶胀平衡体积的前提下，超大幅度调节其力学性质，成为一个亟待解决的科学问题。中山大学化工学院郭辉团队近日发表的这篇《Mater. Horiz.》，为实现该目的带来全新思路和切实策略。

作者首先通过其近期报道的玻璃态水凝胶普适高效制备方法（Chem. Eng. J. 2023, 457, 141280），合成了一系列具有橡胶态-玻璃态转变的水凝胶材料。随后，当这类凝胶接触含有少量添加剂的水溶液后，凝胶的力学性能发生了巨大的改变（图1）。例如，同种凝胶在受到不同小分子添加剂的刺激后，其杨氏模量会发生从0.0042 MPa到150 MPa的转变，变化超过36000倍。同时，其拉伸强度、拉伸功和断裂伸长率也发生了大幅转变。

图1 同种水凝胶在两种不同的小分子刺激下的拉伸曲线、杨氏模量和拉伸强度对比。

通过细致的实验探究和机理分析，作者证实添加剂通过影响凝胶中的非共价相互作用，改变凝胶中刚性疏水区和柔性亲水区域的强度，从而改变凝胶的玻璃化转变温度，进而在不改变温度的情况下，智能调节凝胶的力学行为。同时，作者发现不同类型的小分子对凝胶机械性能的影响迥异。其中，无机添加剂多通过Hofmeister效应来调节凝胶亲水结构的含水量；而有机添加剂同时影响亲水和疏水区域的强度，从而调节水凝胶的机械行为（图2）。

图2 水凝胶的机械性能对不同的无机小分子（a-c）和有机小分子（d-f）的响应性。

基于此，本文开发了一种在几乎不影响凝胶平衡体积的前提下，大幅调节凝胶机械行为的方式。其杨氏模量跨越从kPa到接近GPa的范围，较之此前报道的凝胶优势明显（图3）。因此，材料在柔性传感、工业涂层等领域均展现出良好的应用前景。

图3 （a-b）本工作凝胶的模量范围、模量及体积变化率与已有凝胶的对比。

相关工作以“Hydrogels with Ultra-Highly Additive Adjustable Toughness Under Quasi-Isochoric Condition”为题发表于《Materials Horizons》杂志。中山大学硕士生林新星为第一作者，中山大学化工学院郭辉副教授为通讯作者。

全文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d2mh01451c

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（责任编辑：xu）

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