在材料科學(xué)的廣闊天地中，水凝膠作為一種能夠響應(yīng)多種外部刺激（如溫度、光、磁場等）而促使自身發(fā)生形狀或性質(zhì)變化的軟材料，正逐漸展現(xiàn)出其獨特的魅力和廣泛的應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)水凝膠材料在響應(yīng)速度、結(jié)構(gòu)調(diào)控以及可回收性等方面仍存在諸多不足，限制了其在實際應(yīng)用中的進一步拓展。近日，南華大學(xué)張也、姚陳等在《

Advanced Functional Materials

研究團隊以N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）為單體，鋰藻土納米片作為多功能交聯(lián)劑制備溫敏納米復(fù)合（NC）水凝膠。通過破碎、干燥、研磨和篩分四步物理處理，將純化的NC水凝膠轉(zhuǎn)化為凝膠粉末。定量添加溶脹劑（如水、氧化石墨烯或四氧化三鐵懸浮液）后，凝膠粉末通過氫鍵作用迅速交聯(lián)，形成目標(biāo)水凝膠。該混合策略通過精準(zhǔn)調(diào)控凝膠粉末與溶脹劑的組分比例及空間分布，成功構(gòu)建具有異質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)的水凝膠。所得材料可承受>400%的拉伸形變和53%的壓縮應(yīng)變（10次循環(huán)加載），在1032小時的浸泡實驗中保持結(jié)構(gòu)完整，展現(xiàn)出快速響應(yīng)、優(yōu)異恢復(fù)及抗疲勞特性。此外，基于混合策略的水凝膠具有可定制結(jié)構(gòu)，可響應(yīng)溫度、近紅外光及磁場等多種刺激，實現(xiàn)可控形變；凝膠粉末還可作為粘合劑與修復(fù)劑，有效連接不同水凝膠并修復(fù)損傷，顯著延長器件壽命。該研究不僅證明了混合策略在凝膠結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能調(diào)控中的高度靈活性，還通過回收實驗驗證了凝膠粉末的循環(huán)利用潛力，為降低制備成本、減少環(huán)境污染及大規(guī)模可控制備多重刺激響應(yīng)水凝膠提供了新途徑。

和面過程啟發(fā)的混合策略

研究團隊首先制備了不同組成的納米復(fù)合水凝膠，經(jīng)純化后，依次通過破碎、干燥、研磨和篩分四步物理加工步驟，成功將其轉(zhuǎn)化為不同粒徑分布的凝膠粉末（圖1 A-G）。通過調(diào)整純化水凝膠的化學(xué)組成，可精準(zhǔn)調(diào)控凝膠粉末的微觀形貌與孔隙結(jié)構(gòu)（圖1 H），充分驗證了該策略對多種原料體系的廣泛適用性。凝膠粉末在受限溶劑中快速溶脹，通過聚合物鏈的酰胺基團（-CONH(R)）與鋰藻土納米片（SiOH/Si-O-Si）的界面氫鍵交聯(lián)形成機械穩(wěn)定的水凝膠（圖2 A-E）。同時，凝膠內(nèi)部形成的異質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)（圖2 E-H）可促進水分子的快速輸運與能量耗散，從而賦予材料優(yōu)異的快速響應(yīng)及恢復(fù)性能。

圖1. NC9-P凝膠粉末的制備過程示意圖（A-F）及其形貌表征（G），通過相同制備策略獲得的其他組成與尺寸凝膠粉末的光學(xué)照片（H）。

圖2.基于混合策略形成NC5[H]-R100水凝膠的制備流程與微觀結(jié)構(gòu)表征。

Movie展示凝膠的快速制備、響應(yīng)及恢復(fù)

視頻1

結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)調(diào)控與性能協(xié)同優(yōu)化

基于凝膠粉末與溶脹劑的混合策略，可實現(xiàn)水凝膠結(jié)構(gòu)的多級精準(zhǔn)調(diào)控（圖3）：

（1）簡單構(gòu)型：通過一步混合單一或多種凝膠粉末與溶脹劑制備條狀、片狀及塊狀凝膠；

（2）復(fù)雜構(gòu)型：通過多步順序混合策略構(gòu)建圖案化片狀、多層條狀和異質(zhì)塊體；

（3）仿生結(jié)構(gòu)：結(jié)合定制模具與氫鍵介導(dǎo)的收縮-溶脹行為，制備彩色柱體、類蘋果及卡通仿生凝膠。

圖3.混合策略制備的結(jié)構(gòu)可控水凝膠。

目標(biāo)水凝膠展現(xiàn)出優(yōu)異力學(xué)穩(wěn)定性：可承受超過%拉伸應(yīng)變而不斷裂（圖4 A），并在數(shù)倍于自重的壓縮應(yīng)力下保持結(jié)構(gòu)完整性（圖4 C）；其在43天水浸泡實驗中未發(fā)生崩解。與同組成光聚合凝膠相比，目標(biāo)水凝膠因動態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)，具備快速自恢復(fù)特性及卓越抗疲勞性能（圖4 B-G），適用于軟體機器人高頻驅(qū)動場景。

圖4. NC9[H]-R100與NC9-D水凝膠的力學(xué)性能對比。

應(yīng)用多樣化，回收更綠色

通過更換溶脹劑可以精準(zhǔn)調(diào)控目標(biāo)凝膠的刺激響應(yīng)性。例如：NC5[F]-R100凝膠條在磁力攪拌作用下可實現(xiàn)快速旋轉(zhuǎn)運動（視頻2）；魚形凝膠片（由紫色的NC3[H]-R100凝膠片和淺棕色的NC9[F]-R100凝膠片組成）能夠?qū)崿F(xiàn)熱致變形與磁控運動（視頻3）；五角星形凝膠片（由一片淺棕色的NC9[F]-R100凝膠和五片深棕色的NC5[G]-R100凝膠片組成）在近紅外光照射下可執(zhí)行有序的定向彎曲運動（視頻4）。這些具有可控驅(qū)動行為的凝膠材料在靶向藥物遞送、軟體驅(qū)動器和智能傳感系統(tǒng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。

Movie展示混合策略構(gòu)建凝膠響應(yīng)多重刺激

視頻2

視頻3

視頻4

聚合物鏈-黏土納米片的氫鍵交聯(lián)作用使凝膠粉末兼具粘接修復(fù)與循環(huán)再生功能。例如：四根水凝膠條通過NC3-P200作用成功組裝成圓盤形結(jié)構(gòu)，在熱刺激條件下拼接圓盤展現(xiàn)出協(xié)調(diào)收縮變形行為，且在循環(huán)拉伸和扭轉(zhuǎn)載荷下仍保持結(jié)構(gòu)完整性（圖5）；經(jīng)NC7-P200修復(fù)的受損NC9-D水凝膠可承受反復(fù)拉伸甚至扭轉(zhuǎn)變形（圖6）。實驗數(shù)據(jù)表明，該類NCx-Py凝膠粉末既能連接離散水凝膠單元構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)，又可填充損傷區(qū)域使水凝膠恢復(fù)完整初始狀態(tài)。值得注意的是，整個粘接和修復(fù)過程均在溫和條件下完成，無需使用有害試劑或特殊設(shè)備，充分保證了操作便捷性與使用安全性。

圖5. NC3-P200介導(dǎo)的水凝膠組裝與性能驗證。

圖6. NC7-P200對NC9-D水凝膠的修復(fù)效果評估。

閉路循環(huán)實驗證實材料可持續(xù)性：NC7-P100凝膠粉末經(jīng)六次再生循環(huán)后（圖7），所得NC7[H]n-R100水凝膠仍保持結(jié)構(gòu)完整性（圖7 A）、異質(zhì)多孔特征（圖7 C）及穩(wěn)定熱響應(yīng)性（圖7 B），證明凝膠粉末的迭代使用對所得水凝膠網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性及刺激響應(yīng)性影響甚微，為開發(fā)環(huán)境友好型智能材料提供了可持續(xù)解決方案。

圖7. NC7-P凝膠粉末的可循環(huán)性驗證及NC7[H]n-R100水凝膠溫敏特性表征。

總結(jié)：本研究提出一種受和面啟發(fā)的混合策略，通過調(diào)控凝膠粉末組成、溶脹劑分布及加工參數(shù)，實現(xiàn)智能水凝膠的快速規(guī)模化制備、結(jié)構(gòu)及性能精準(zhǔn)定制。所使用凝膠粉末可同時作為粘合劑（集成異質(zhì)結(jié)構(gòu)）與修復(fù)劑（動態(tài)氫鍵重組）。其閉路再生設(shè)計使材料可多次循環(huán)利用，顯著降低資源消耗與環(huán)境負荷，為綠色智能材料開發(fā)提供新范式。

來源：高分子科學(xué)前沿