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寧波材料所陳濤研究員/深圳大學教授周學昌在《Materials Horizons》發表綜述“仿生防凍高分子水凝膠:讓軟濕材料在極寒條件下保持生命力”
作者:,日期:2020-09-23

  水凝膠是一種結構非常獨特的材料,擁有特定的形狀和一定的彈性,具有明顯的固體性質;但材料內部卻含有大量的水,含水量最高可以達到90%以上。這種結構特點和生物細胞非常相近,因此水凝膠多年來一直吸引著大量研究人員的關注。然而,事物通常具有兩面性,高水含量有益于水凝膠在生物醫學領域中的應用,同時也限制了它在低溫條件下的使用,因為水凝膠在零度以下會凍結,進而失去其優異的性能,包括電導率、透明度、柔韌性等,這一缺點阻止了水凝膠在現實生活中應用,比如用于柔性電子產品和傳感器。因此,設計防凍水凝膠有助于拓展水凝膠的應用范圍。自然界中有很多動物,盡管它們體內含有大量的體液,但仍然可以在極寒條件下活動或生存。這種耐低溫的能力通常來自于動物體內分泌的“防凍劑”。向自然界學習,制備防凍水凝膠材料及器件,具有重要的科學意義和應用前景。

  中國科學院寧波材料技術與工程研究所陳濤研究員、張佳瑋研究員和深圳大學教授周學昌基于其長期在防凍水凝膠方面的研究基礎,近期在Materials Horizons上發表了題為“Biomimetic anti-freezing polymeric hydrogels: keeping soft-wet materials active in cold environment”的綜述(10.1039/D0MH01029D)。

  根據先前的理論研究,水凝膠中的水分子存在三種不同的狀態:能夠自由移動的“自由水”、與高分子網絡有較弱作用力的“弱結合水”和與高分子網絡有較強作用力的“強結合水”。這三種不同狀態的水分子具有完全不同的凍結溫度,其中“自由水”含量最高,也最容易結冰;而“強結合水”則具有非常低的凝固點。這為制備耐低溫的水凝膠提供了理論指導:改變“自由水”的成份來降低其凝固點,或調節水與高分子網絡的相互作用來降低“自由水”的比例?;诟淖儭白杂伤钡某煞?,可以在溶劑中添加可溶性的鹽或醇類,或者直接將水替換為醇或離子液體;基于調節水與高分子網絡的相互作用,可以通過設計功能單體,引入更多與水有強相互作用的基團。

  雖然不同的制備方法都可以得到耐低溫的水凝膠,但不同的制備方法具有不同的優缺點:鹽的添加能給水凝膠帶來良好的導電性,但在干燥條件下水分會蒸發,影響水凝膠性能的穩定性。醇或離子液體的置換可以大幅提高水凝膠的抗蒸發性能,但是這些溶劑容易泄漏,且通常具有一定的毒性,因此不能用于直接與生物體或水體環境接觸的場景中。對高分子網絡進行改性可以克服耐低溫功能組分容易流失的缺點,實現水凝膠材料長期穩定的應用,但這種方法的防凍能力通常不會很強。盡管已經有一些耐低溫水凝膠的報道,但目前防凍水凝膠的設計制備仍相對簡單,研究人員應更加致力于研究防凍水凝膠的機理和新的合成策略。

  現有的一些研究工作將耐低溫水凝膠用于仿生致動器和軟體機器人、物理或化學傳感器、電池或電解質等領域,需要注意的是,這些水凝膠基器件的功能可能會受到新加入耐低溫功能組分的影響,因此設計器件時需要選用合適的方法,在實現防凍的同時避免對原有功能的影響。此外,目前的防凍水凝膠體系功能還比較單一,通常只能實現一項功能,例如刺激響應致動或對機械變形的感應等,研究人員設想未來防凍水凝膠能夠變得更加智能,在各個領域得到出色應用。

  這項工作得到了國家自然科學基金、中科院青促會、深圳市科技基金、中科院前沿科學重點研究項目和王寬誠教育基金會等項目的支持。

防凍水凝膠的一般合成策略和主要應用領域

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