北京工业大学赵治、宋晓艳教授团队 Adv. Mater.: 独特分子网络构造方法创造负溶胀凝胶

2025-03-09 来源：高分子科技

水凝胶具有优异理化特性，广泛用于先进功能材料与智能材料。水下溶胀是水凝胶材料的一大通性。溶胀可导致凝胶机械强度下降与结构失稳，对其应用表现造成巨大影响。开发具有负溶胀率，即在水中脱水的新型凝胶可有效解决上述问题。然而，凝胶高分子网络的内禀亲水性与制备态凝胶的不饱和含水量使凝胶天然具有吸水倾向，达成负溶胀面临极大挑战。现有技术尚无法在不依赖特殊条件下实现凝胶水中自发脱水。

探索新型凝胶材料设计制备方法，以突破性分子作用机制实现水凝胶的自发负溶胀是当下亟需解决的前沿课题。近期，北京工业大学材料科学与工程学院赵治、宋晓艳教授团队基于近期力学响应性凝胶与凝胶受限溶胀行为方面的最新成果，提出了一种构造负溶胀凝胶的全新方法。以具备力学响应特征的高分子网络作为实现自发负溶胀的关键基元，利用其在外力作用下发生自组装与团聚这一特性诱发凝胶体积収缩。以常规化学交联网络与力学响应性网络构建相互穿插的双重网络，二者间的相互缠结使得凝胶内的力学作用可以在网络间传递，同时二者可互为对方的溶胀限制结构。上述独特凝胶结构置于水中时渗透压会溶胀常规交联网络，增强其内部水压；力学响应网络在压力环境下发生自组装收缩，形成高稳定性颗粒相。由于网络间缠结，力学响应网络团聚过程会牵引常规网络，限制其溶胀并最终导致互穿网络整体排水收缩。上述机制已被多种表征手段证实（图1）。

图1 负溶胀机理研究

上述凝胶的负溶胀行为受多种材料体系自身参数与环境因素影响。实验中对于反应物结构、反应物配比等对产物负溶胀热力学与动力学的影响规律进行了研究，阐明了其作用机理并对负溶胀的发生速率与程度进行了大幅优化。同时还研究了真实环境条件，如温度、pH、离子浓度等对负溶胀的影响，明确了负溶胀适用的条件范围并建立了基于环境因素进一步强化负溶胀的有效策略（图2）。

图2 负溶胀行为的调控

与负折射率、负热膨胀系数等反常性质类似，负溶胀可使得凝胶材料的性能在更广阔维度上被调控，创造出常规凝胶难以具备的功能特性，进而大幅拓展其可应用的场景。本研究对负溶胀凝胶的力学、电化学、环境响应特征进行了系统表征，并开展了潜在应用研究。例如，基于负溶胀凝胶水下强韧化特征可开发高性能耐水柔性材料；利用其反向溶胀特性可大幅提升智能材料环境响应性；其体积收缩伴随的牵引能力有望应用于损伤修复。对负溶胀凝胶的不断深入研究必将发掘出越来越广阔的应用场景（图3）。

图3 负溶胀带来的独特凝胶性能与潜在应用

该工作以“Hydration Induces Dehydration: Creating Negative Swelling Gel by a Paradox”为题发表在材料学顶刊《Advanced Materials》上（Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.202500104）。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。该研究依托材料低碳循环再生全国重点实验室、新型功能材料教育部重点实验室，并得到国家自然科学基金的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202500104

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（责任编辑：xu）

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