近日，浙江大學生物系統工程與食品科學學院羅自生教授團隊與浙江大學航空航天學院李鐵風教授、楊栩旭特聘研究員團隊合作，在《Science》上發表研究論文“Hydro-locking in Hydrogel for Extreme Temperature Tolerance”（圖1，原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq2711）。

圖1. 本文在Science期刊上發表的相關信息

水凝膠是一種由充滿水的高分子網絡組成的凝膠材料，果凍就是水凝膠的一種。水凝膠吸水會迅速溶脹并“鎖住”大量體積的水，具有良好的柔性與生物可相容性，在醫用仿生材料、食品智能包裝、航天裝備等多個領域有著廣泛的應用前景。水凝膠的力學特性以及功能性與其中水的狀態高度相關，溫度劇烈變化會破壞水凝膠原有的性質。如何拓寬水凝膠承受溫度的極限，增強其在極端環境下的穩定性，對于擴寬水凝膠的應用具有重要的意義。

該研究突破傳統水凝膠制備范式，提出了一種具有通用性的“水鎖”策略（圖2a），利用硫酸作為"鎖水劑"，強化水和聚合物的結合，并引入犧牲網絡避免主體網絡結構塌縮，使水分子固定在凝膠聚合物網絡中。團隊研究發現在使用硫酸濃度大于40 wt%時，溶液中的水分子被充分固定在凝膠網絡中，此時，凝膠中的結晶相變被充分抑制，使得凝膠的耐受低溫極限突破了硫酸溶液的結晶溫度。在聚丙烯酰胺單網絡水凝膠中，硫酸在高溫下會反應并破壞水凝膠網絡，使其液化失效，而在引入海藻酸鈉作為“犧牲”網絡，形成碳量子點附著并覆蓋在聚丙烯酰胺主鏈上，防止其受硫酸進一步反應而破壞。基于該策略制備了能夠在-115℃至143℃的溫度范圍內保持柔性的海藻酸鈉/聚丙烯酰胺雙網絡水凝膠，在-100℃下碳化硫酸凝膠的斷裂伸長率達到了約300 %，在140℃下的斷裂伸長率達到了約400%，這極大拓寬了水凝膠的功能范圍（圖2b）。這種普適性方案可拓展至其他類型水凝膠體系，為極端溫度條件下的材料乃至生命體保存和觀測提供新思路。

圖2 （a）基于Hydro-locking策略的水凝膠設計思路 （b）水凝膠在極端溫度下的機械性能

該論文的共同通訊作者為浙江大學航空航天學院楊栩旭特聘研究員、李鐵風教授和浙江大學生物系統工程與食品科學學院羅自生教授。共同第一作者為浙江大學生物系統工程與食品科學學院章曉晨博士、浙江大學新農村發展研究院/生物系統工程與食品科學學院李棟副研究員和浙江大學航空航天學院楊栩旭特聘研究員。航空航天學院交叉力學中心的楊衛院士對課題設計提供了理論指導。該項工作得到了國家自然科學基金杰出青年基金、國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金面上項目等資助。

來源：浙大生工食品