水凝胶以其高含水量为特征,是一种通用的交联聚合物材料,在植入式电子、储能设备、软机器人、涂层、组织工程、药物递送等领域有着广泛的应用前景。然而,水凝胶较差的机械韧性和长期稳定性限制了其实际应用范围。此外,气凝胶是一种纳米级的多孔固态新型材料,具有高比表面积、高空隙率、低密度等结构特点,广泛应用在隔热、隔音、催化、储能等领域,但是其高孔隙率也使它们面临机械稳定性方面的挑战。因此,能否制备一种能够结合这两类凝胶材料优势的物质,赋予水凝胶可控的含水量、弹性和长效稳定性,并赋予气凝胶强韧的网络结构?
自19世纪末Hofmeister效应(离子特异性效应)被提出后,人们发现盐离子对水溶液中大分子的溶质行为的影响普遍遵循Hofmeister离子序列。在水凝胶体系中引入盐离子可以对水凝胶的力学性能、电学性能、热力学性能等产生显著影响,在水凝胶领域引起了极大的关注。研究者已经发现了具有离子特异性效应的聚合物,并进一步制备了具有广泛可调性和优异机械性能的水凝胶。同时,从分子水平上研究了离子-聚合物链-水相互作用,并且探索了聚合物的溶解度和膨胀性,以了解不同离子的影响。然而,目前关于不同阴离子的盐析和盐入现象的离子特异性效应已有一些共识,但大多数研究人员将阳离子归类为盐入现象,这意味着阳离子会降低聚合物链的交缠和结晶度。那么,阳离子能否展示盐析现象,并实现与阴离子类似的离子特异性效应呢?
图1:用不同处理方法制备凝胶的流程示意图和相应的微观形态。
总的来说,金属阳离子不再被这些羟基形成的水合层所排斥,它们与PVA相互作用时表现出两种效应:(1)静电斥力(图3b):以Ca2+离子为例,它们最初附着在聚合物链上。然而,一旦可用的结合位点饱和,附着的Ca2+离子将受到自由Ca2+离子的斥力作用,导致“挤压”效应。(2)离子水合:虽然阳离子的水合能力较阴离子弱,但在硼砂预处理削弱聚合物的水合能力后,也不能忽视阳离子水合的潜在影响。因此,阳离子的特异性行为可以解释如下:碱金属和碱土金属的阳离子具有较高的电荷密度和较强的水合能力,使它们能够在B-PGX中形成分层结构。这些分层结构使它们能够从周围环境吸收水分,从而将B-PGX从气凝胶转化为具有出色的柔韧性和稳定性的水-气凝胶。
图3:分子动力学模拟结果和提出的PVA凝胶的阳离子特异性机制。
原文链接:Zhou, H., Wei, X., Liu, A., Wang, S., Chen, B., Chen, Z., Lyu M., Guo W., Cao X., Ye, M. Tough Hydro‐Aerogels with Cation Specificity Enabled Ultra‐High Stability for Multifunctional Sensing and Quasi‐Solid‐State Electrolyte Applications. Advanced Materials.
https://doi.org/10.1002/adma.202313088
作者简介
叶美丹,厦门大学物理科学与技术学院教授,研究领域包括微纳米功能材料的可控合成和机理研究,电化学储能器件以及可穿戴生物传感器的制备研究。在J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Energy. Mater., Nano Lett., Energy Storage Mater.等期刊发表论文80多篇,出版相关英文专著兩本和专著章节四篇,文章他引5400余次,H因子37。
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