电子科大崔家喜团队《Adv. Funct. Mater.》：水凝胶动态相变行为助力粘附和能量交换的应用

2023-03-29 来源：高分子科技

壁虎的脚趾在粘附过程中主要是依赖多级且富集的微纳结构适应被粘附基底的粗糙表面，以增加真实有效的接触面积从而提升范德华相互作用力达到强粘附的效果；蜗牛分泌的黏液通过脱水硬化过程形成强硬的冬盖来锁住粘附的界面，从而使蜗牛能够粘附在各种物体表面。受此两种自然粘附现象的启发，电子科技大学崔家喜团队利用过饱和水凝胶内水合无机盐的动态结晶-溶熔相变过程来增强凝胶的力学性能、粘附性能和能量交换。

如图1（a）所示，当柔软过饱和水凝胶受晶种刺激引发后，会使材料转变为白色结晶的硬质复合材料，过程如“点石成金”般。水合无机盐晶体在水凝胶内部的动态生长过程被偏光显微镜完美记录（图1 b）。拉伸应力-应变曲线也表明水凝胶的结晶相变行为能极大的增强材料的力学表现。

图1. （a）水凝胶的结晶相变；（b）水凝胶内部晶体生长的显微形貌；（c）结晶相变增强的拉伸力学曲线。

低模量的过饱和凝胶具有出色的受迫自形变能力，以增加材料与基底的有效接触面积，如壁虎脚趾粘附一样，图2（a）显示了过饱和凝胶对磨砂玻璃粗糙表面的自适应过程，低模量凝胶的自适应填充使得磨砂的玻璃变得透明（排除了空气孔隙界面）；而后的诱发结晶相变过程使材料的模量急剧升高，锁住了材料与基底的粘附界面，如蜗牛黏液的脱水硬化一样，最终增强了水凝胶的粘附强度（图2b）。此外，高能势无定型态水凝胶向低能势结晶态转变过程中能量会以热量的形式释放以提升温度，该过程可用于热治疗和热致变色（图2 c和d）。

图2. （a）过饱和水凝胶适应磨砂玻璃的粗糙表面及结晶相变-粘附界面互锁过程；（b）7cm²的小搭桥粘附面积可以承载10kg的重物；结晶相变的释能过程可用于的（c）热治疗和（d）热致变色。

该工作近期以方远来博士（现成都大学高等研究院特聘研究员）为第一作者，崔家喜教授为通讯作者发表于《Advanced Functional Materials》。

原文链接：Fang, Y., Xiong, X., Yang, L., Yang, W., Wang, H., Wu, Q., Liu, Q., Cui, J., Phase Change Hydrogels for Bio-Inspired Adhesion and Energy Exchange Applications. Adv. Funct. Mater. 2023, 2301505.

https://doi.org/10.1002/adfm.202301505

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（责任编辑：xu）

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