水凝胶是由聚合物链交联形成的弹性网络，具有可调控的吸水膨胀及功能特性，在污水处理、生物医药以及提高原油采收率等领域具有广泛应用。然而，基于Flory-Rehner以及橡胶弹性理论，凝胶溶胀会降低聚合物的体积分数并稀释交联密度，导致凝胶的机械性能随膨胀性的增加急剧下降。因此，凝胶的膨胀性与机械性能往往难以兼具。此外，在高离子强度条件下，离子介导的静电屏蔽、水合竞争等效应会改变聚合物链构象，进一步引发凝胶收缩、结构塌陷、功能能损失。因此，如何实现凝胶在盐水中膨胀性与机械性能的协同增强是一项重要挑战。

  针对这一挑战，中国石油大学（华东）的张丽媛、任玲玲等以及青岛科技大学的程浩然教授团队通过设计双网络结构并引入相应的功能单体，利用盐离子作为响应开关诱导凝胶网络构建链内解缔合以及链间新缔合，实现了凝胶网络的拓扑重构从而有效补偿了凝胶因溶胀导致的交联密度损失，最终构建了在高盐环境中膨胀性与机械性协同增强的耐盐凝胶（D_AMPS/AM-SBVI）。D_AMPS/AM-SBVI在200 g/L NaCl溶液中膨胀后的拉伸强度以及溶胀率分别是去离子水中的1.63倍和1.21倍。

  2026年5月26日，相关论文以“Ion-triggered reconfigurable hydrogels with salt-enhanced mechanical and swelling properties via network topological adaptation”为题目，发表在Nature Communications上。文章第一作者为中国石油大学（华东）任玲玲， 文章通讯作者为中国石油大学（华东）张丽媛，青岛科技大学程浩然。

  D_AMPS/AM-SBVI的第一网络采用含有较高交联剂含量的聚电解质AMPS；第二网络由实验室合成的两性离子单体SBVI与中性单体AM共聚构成，单体总含量较高，交联剂含量较低，使第二网络呈现出高度松散且富有弹性的特征。在水中，SBVI由于自身所具有的两性离子基团会产生自缔合作用形成晶域结构；在盐水环境中，盐离子作为门控开关，打开自缔合晶域结构，从而增加凝胶在盐水中的吸水膨胀性；此外，SBVI自缔合晶域结构打开后暴露出的阳离子基团与AMPS形成分子间键，使得水凝胶在盐水中凝胶网络内部形成了微相分离结构，从而赋予了水凝胶膨胀后仍然具有优异的韧性。

图1. D_AMPS/AM-SBVI的设计与合成

  通常，由于盐离子的静电屏蔽作用，通常导致水凝胶在盐水溶液中的溶胀性能降低，盐浓度越高，溶胀抑制越明显。但是，D_AMPS/AM-SBVI在盐水环境中展现了优异的膨胀性能。本文研究了D_AMPS/AM-SBVI在水和不同浓度盐溶液中的溶胀行为。Sr反映水凝胶的体积变化。结果表明，D_AMPS/AM-SBVI在水中、20 g/L NaCl、100 g/L NaCl、200 g/L NaCl和模拟地层盐水中的Sr值分别为17.81、19.13、19.53、21.24和19.42。Wr反映水凝胶的保水能力。200 g/L NaCl中观察到最大Wr为7.87，与纯水相比增加了19.24%。D_AMPS/AM-SBVI在盐水溶液中表现出高溶胀性，实现了异常的盐增强溶胀特性。根据橡胶弹性理论，水凝胶随着溶胀的增加，由于聚合物链的稀释和交联网络的弱化，机械强度急剧下降。但是，D_AMPS/AM-SBVI在盐水环境中膨胀后展现了优异的机械性能。与在纯水中膨胀相比，D_AMPS/AM-SBVI在盐水中膨胀后的应力值高63.16%，应变值增加39.36%，韧性增加了335.12%。此外，D_AMPS/AM-SBVI的储能模量从纯水中的7197 Pa增加到200 g/L NaCl中的17570 Pa。D_AMPS/AM-SBVI实现了异常的盐增强机械特性。

图2. D_AMPS/AM-SBVI的膨胀性和机械性能

  为了探索D_AMPS/AM-SBVI在盐水环境中膨胀性与机械性能的协同增强，本文系统表征了D_AMPS/AM-SBVI在水和盐水中溶胀后的网络形态和结构。结果显示，盐离子诱导D_AMPS/AM-SBVI网络内部的多尺度结构重构：在纳米尺度，SAXS证实盐离子破坏了SBVI链内缔合形成的纳米相分离微区，实现从有序聚集态向无序均相网络的转变；在微观尺度，SEM显示网络孔洞从致密非均相结构转变为疏松均一的多孔结构，为离子渗透和水分传输提供通道；在宏观尺度，光学透明度的可逆转变直观反映了折射率均一化的结构演变。这种纳米聚集体解离-微观网络疏松化-宏观均相化的跨尺度协同重构促进了D_AMPS/AM-SBVI水凝胶在盐水中膨胀性能的提升并为膨胀后形成新的交联作用奠定结构基础。红外、XPS特征峰以及分子模拟结果显示，盐离子通过静电相互作用重分布驱动凝胶网络从链内缔合主导向链间缔合主导转变，这种链内-链间拓扑重构效应有助于应力均匀分布，有效补偿了因溶胀导致的交联密度损失，实现了D_AMPS/AM-SBVI水凝胶在盐溶液中膨胀性与机械性能的协同增强。为了进一步探究盐增强溶胀性与机械性的深层能量驱动机制。基于橡胶弹性理论与Flory-Rehner热力学框架，系统分析了耐盐凝胶D_AMPS/AM-SBVI拓扑重构的热力学行为。通过引入有效交联密度(ν_e)、有效溶剂参数(χ)和无效环分数(f_loop)三个关键参数，揭示了盐离子驱动网络拓扑重构的热力学本质：随着NaCl浓度增加，ν_e从2.54增至5.71 mol·m?3，提升124.8%，而f_loop从0.55降至0，表明盐离子通过电荷屏蔽效应成功实现了无效链内环向有效交联桥转化；χ值的轻微升高表明存在弱盐析效应，但未显著抑制溶胀能力。自由能分解结果表明，F_assoc绝对值的增大是驱动网络向低缺陷、高连通性拓扑态演化的主要热力学驱动力，而弹性自由能F_el的升高则对应溶胀度增大与链段伸展。

图3. 机理分析

  最后通过岩心驱替实验证明了D_AMPS/AM-SBVI在高盐油藏环境中的应用。D_AMPS/AM-SBVI在盐水环境中膨胀性与机械性能的协同增强使得岩心封堵效率达到99.2%。同时采用了可降解交联剂使得岩心渗透率损失限制在66.7%。

图 4. 岩心驱替实验

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-73723-8