北京工業(yè)大學(xué)趙治、宋曉艷教授團隊 Adv. Mater.: 獨特分子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造方法創(chuàng)造負溶脹凝膠
水凝膠具有優(yōu)異理化特性，廣泛用于先進功能材料與智能材料。水下溶脹是水凝膠材料的一大通性。溶脹可導(dǎo)致凝膠機械強度下降與結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，對其應(yīng)用表現(xiàn)造成巨大影響。開發(fā)具有負溶脹率，即在水中脫水的新型凝膠可有效解決上述問題。然而，凝膠高分子網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)稟親水性與制備態(tài)凝膠的不飽和含水量使凝膠天然具有吸水傾向，達成負溶脹面臨極大挑戰(zhàn)。現(xiàn)有技術(shù)尚無法在不依賴特殊條件下實現(xiàn)凝膠水中自發(fā)脫水。
探索新型凝膠材料設(shè)計制備方法，以突破性分子作用機制實現(xiàn)水凝膠的自發(fā)負溶脹是當下亟需解決的前沿課題。近期，北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院趙治、宋曉艷教授團隊基于近期力學(xué)響應(yīng)性凝膠與凝膠受限溶脹行為方面的最新成果，提出了一種構(gòu)造負溶脹凝膠的全新方法。以具備力學(xué)響應(yīng)特征的高分子網(wǎng)絡(luò)作為實現(xiàn)自發(fā)負溶脹的關(guān)鍵基元，利用其在外力作用下發(fā)生自組裝與團聚這一特性誘發(fā)凝膠體積収縮。以常規(guī)化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與力學(xué)響應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建相互穿插的雙重網(wǎng)絡(luò)，二者間的相互纏結(jié)使得凝膠內(nèi)的力學(xué)作用可以在網(wǎng)絡(luò)間傳遞，同時二者可互為對方的溶脹限制結(jié)構(gòu)。上述獨特凝膠結(jié)構(gòu)置于水中時滲透壓會溶脹常規(guī)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，增強其內(nèi)部水壓；力學(xué)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)在壓力環(huán)境下發(fā)生自組裝收縮，形成高穩(wěn)定性顆粒相。由于網(wǎng)絡(luò)間纏結(jié)，力學(xué)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)團聚過程會牽引常規(guī)網(wǎng)絡(luò)，限制其溶脹并最終導(dǎo)致互穿網(wǎng)絡(luò)整體排水收縮。上述機制已被多種表征手段證實（圖1）。
圖1 負溶脹機理研究
上述凝膠的負溶脹行為受多種材料體系自身參數(shù)與環(huán)境因素影響。實驗中對于反應(yīng)物結(jié)構(gòu)、反應(yīng)物配比等對產(chǎn)物負溶脹熱力學(xué)與動力學(xué)的影響規(guī)律進行了研究，闡明了其作用機理并對負溶脹的發(fā)生速率與程度進行了大幅優(yōu)化。同時還研究了真實環(huán)境條件，如溫度、pH、離子濃度等對負溶脹的影響，明確了負溶脹適用的條件范圍并建立了基于環(huán)境因素進一步強化負溶脹的有效策略（圖2）。
圖2 負溶脹行為的調(diào)控
與負折射率、負熱膨脹系數(shù)等反常性質(zhì)類似，負溶脹可使得凝膠材料的性能在更廣闊維度上被調(diào)控，創(chuàng)造出常規(guī)凝膠難以具備的功能特性，進而大幅拓展其可應(yīng)用的場景。本研究對負溶脹凝膠的力學(xué)、電化學(xué)、環(huán)境響應(yīng)特征進行了系統(tǒng)表征，并開展了潛在應(yīng)用研究。例如，基于負溶脹凝膠水下強韌化特征可開發(fā)高性能耐水柔性材料；利用其反向溶脹特性可大幅提升智能材料環(huán)境響應(yīng)性；其體積收縮伴隨的牽引能力有望應(yīng)用于損傷修復(fù)。對負溶脹凝膠的不斷深入研究必將發(fā)掘出越來越廣闊的應(yīng)用場景（圖3）。
圖3 負溶脹帶來的獨特凝膠性能與潛在應(yīng)用
該工作以“Hydration Induces Dehydration: Creating Negative Swelling Gel by a Paradox”為題發(fā)表在材料學(xué)頂刊《Advanced Materials》上（Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.202500104）。文章第一兼通訊作者是北京工業(yè)大學(xué)趙治教授，共同通訊作者是北京工業(yè)大學(xué)宋曉艷教授。該研究依托材料低碳循環(huán)再生全國重點實驗室、新型功能材料教育部重點實驗室，并得到國家自然科學(xué)基金的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202500104
