《自然·观点材料》高级编辑喊话水凝胶，坚韧起来吧

在Nature杂志旗下的Reviews Materials一栏有一则来自高级编辑Giulia Pacchioni博士很有趣的评论：Toughened up坚韧起来吧！究竟，要什么东西坚韧起来呢？答案是科研界研究火热的软物质材料「水凝胶」！3D网络的水凝胶在软体机器人，柔性电池，可穿戴设备，和生物医学工程等新兴领域具有强大的潜在应用价值。

常规聚合物会在其玻璃化转变温度之上软化-考虑使用熟悉的塑料产品，例如乙烯基袋子和PET瓶子。先前，北海道大学水凝胶资深专家龚剑萍及其同事在《先进材料》杂志上发表的论文‘‘Instant Thermal Switching from Soft Hydrogel to Rigid Plastics Inspired by Thermophile Proteins’’提出了一种聚合物，当温度升高时，该聚合物会经历可逆的快速从软质水凝胶转变为硬质塑料的过程。起始原料是一种廉价的无毒水凝胶，由含水的聚丙烯酸（PAAc）网络组成，与吸水尿布中使用的聚合物相同。PAAc水凝胶通常不会发生热相分离，但是当将凝胶浸入含有乙酸钙（一种用作食品添加剂的盐）的水溶液中时，钙和乙酸根离子会扩散到凝胶中，与羧基形成键聚合物基团。疏水的乙酸酯部分在高温下会脱水，由于降低了环境的相对介电常数，因而加强了羧基和钙离子之间的离子键。疏水和离子相互作用之间的这种相互作用触发了聚合物的强烈脱水，并且当温度升高至60°C或更高时，脱水区域的水分会以两种形式夹在中间。

越过转变温度，材料的刚度，强度和韧性急剧增加，而体积却保持不变。透明和柔软的凝胶变得不透明和僵硬。在60°C时，薄的凝胶片可以支撑10 kg的重量。这种热硬化是可逆的，可以在多个周期内重复进行。

该论文的第一作者野山隆之（Takayuki Nonoyama）评论说：“我们偶然发现了这种现象。” “我们的团队专门研究基于牺牲性键结构的坚韧水凝胶，该结构优先在机械应力下破裂，耗散大量能量，因此使材料坚韧。”已知PAAc的羧基通过离子键与多价离子交联。因此，可以预期该凝胶在钙离子存在下会增韧，形成离子键，该离子键应作为可逆的牺牲键来耗散能量。然而，由于相对弱的离子键合，该凝胶在浸入氯化钙溶液后仅显示出弱的韧性增加。Nonoyama回忆说：“然后我们尝试了醋酸钙，该醋酸钙可产生更强的离子键。” “令人惊讶的是，该凝胶表现出了显着的即时热硬化性。”

系统的行为与聚合物相分离的低临界溶液温度有关。然而，具有相似的低临界溶液温度的其他水凝胶经历非常缓慢的相分离，具有很小的刚度变化，并伴随着大量的体积收缩。在新材料中观察到的不同行为暗示了在起作用的另一机制：脱水诱导的玻璃态转变，这是这种水凝胶特有的。这种转变仅在高温下具有强相分离能力的系统中发生，而这又是由疏水和离子相互作用的协同作用驱动的。

图片来源：Adrienne Bresnahan/Moment/Getty

这种机制是自然界使生物能够在高温下生存的技巧之一。“我们注意到，生存在极端环境（如温泉）中的细菌的组成蛋白比正常环境中的动物具有更多的带电残基和疏水性残基，”龚说。“这意味着这些蛋白质采用与我们的水凝胶相同的分子策略来在高温下保持稳定。”

“凝胶表现出了显着的即时热硬化性。”

该材料可用于吸热或用于防护运动服。龚剑萍解释说：“它可以用于在正常条件下柔软且可拉伸的西装，但在交通或体育赛事中产生摩擦热时会立即变得僵硬。”在用玻璃纤维织物增强的凝胶复合材料上获得的第一个结果是有希望的。

【编辑简介】

Giulia于2011年获得意大利米兰大学的物理学硕士学位，论文的主题是将金属团簇植入用于OLED器件的电致发光聚合物中。然后，她在瑞士洛桑联邦理工学院的Harald Brune教授团队完成了使用扫描隧道显微镜研究表面纳米结构研究的博士学位。Giulia于2015年10月加入Springer Nature，发起了《自然·观点材料》的发布。她在2018年领导了《Nature Reviews Physics》的启动团队，现在以高级编辑的身份回到《Nature Reviews Materials》。

Giulia主要负责量子材料，超导，拓扑材料，2D材料，超材料和结构材料领域。

参考文献：

doi.org/10.1038/s41578-019-0168-2

doi.org/10.1002/adma.201905878

版权声明：「水凝胶」是由专业博士（后）创办的非赢利性学术公众号，旨在分享学习交流高分子聚合物材料学的研究进展。上述仅代表作者个人观点且作者水平有限，如有科学不妥之处，请予以下方留言更正。如有侵权或引文不当请联系作者修正。商业转载请联系编辑或顶端注明出处。感谢各位关注！