离子介质交换或离子响应现象广泛存在于生物界中。例如人体肌肉细胞收缩过程中存在Na⁺和Ka⁺的交换；广盐性鱼类由于自身的渗透调节，能适应不同盐度的水环境。离子响应型水凝胶是一类具有离子响应性质的高分子材料，该材料在仿生穿戴、软体机器人和盐差能转化领域具有广泛的应用前景。但是，目前大多数离子响应型水凝胶的工作环境多在0.5M-2M（例如NaCl溶液），高浓度的液体工作环境会带来脱盐慢、易矿化和泄露风险。因此，开发低浓度中对离子快速响应的水凝胶具有重要意义。

  北京工商大学高海南副教授课题组通过聚电解质和两性离子聚合物链段(PNA和PDMAPS)的无规共聚，开发了一种离子响应型水凝胶，该水凝胶在0-0.6 wt% NaCl溶液中，体积变化近60倍（图1）。水凝胶在纯水和低浓度盐溶液中平衡时，能够在聚合物链段内产生动态可逆交联，离子控制的动态可逆交联可以进一步实现对膨胀性能的调节（图2），同时也影响着材料的微观孔径和力学性能（图3）。进一步进行了拉曼实验，证实了聚合物链段在离子诱导下的动态交联（图4）。基于N2S8水凝胶在低浓度盐溶液中体积超敏感性质，设计了具有快速响应优点的可视化离子浓度检测装置（图5）。检测结果与标准浓度对比，误差小于0.17 wt%。此外，基于N2S8水凝胶在水中和盐溶液中的动态可逆交联带来的宏观体积变化，还设计了具有自动传感和执行功能的智能液体阀门（图6），该智能液体阀门可在低浓度溶液中(0.01-0.6wt%)快速响应，且在18个循环内流量稳定。证明了N2S8水凝胶阀在调节和控制液体泄漏和液体输运方面的巨大潜力。

图6 基于N2S8水凝胶组成的智能离子响应阀门。

  论文链接：https://www.sciengine.com/SCMs/doi/10.1007/s40843-023-2688-y