在水中膨胀的功能性软材料常常会出现表面皱褶，这种现象类似于人体皮肤在长时间浸泡后形成的皱纹，通常会导致光学透射率降低。相反，在水下透明而在空气中不透明的功能材料却罕有报道，尽管后者在智能窗户、潜望镜和信息加密等领域具有更广阔的应用前景。
图
1
具有可逆透明性的
PDMS
水凝胶涂层的模型示意图以及微观
/
宏观形貌
近期，
加拿大阿尔伯塔大学曾
宏波教授
团队
与
清华大学田煜教授团队
合作报道
了
一种具有可逆透明性的水凝胶涂层
。
该涂层由聚二甲基硅氧烷（
PDMS
）上的聚丙烯酰胺层组成，展示了在空气
/
干态条件下不透明与在水或湿润条件下高度透明之间的可逆转变（图
1
）。在吸水膨胀后，水凝胶层的透射率从空气中的
7.8%
显著提高到
77.1%
，并具有优异的重复性（图
2
）。这种行为使得其在光学加密
/
解密和
水画本
等应用中成为可能。微观结构分析表明，光学切换源于水凝胶膨胀时表面粗糙度的降低和折射率的变化。此外，当用作智能窗户时，水凝胶层有效地将太阳能传输减少了
36%
，在阳光直射下实现了
5.09°C
的降温（图
3
）；此外，该系统还
能够实现在阴雨天时保存热量。这项研究工作为光学加密、交互式书写系统和智能窗户技术提供了新的发展思路。该工作
以
“
Hydrogel-Coated Polydimethylsiloxane with Reversible Transparency for Advanced Optical Switching
”
为题发表在
《
ACS Nano
》上
。加拿大阿尔伯塔大学
曾宏波
教授（加拿大皇家科学院和工程院两院院士）为论文通讯作者，博士后
刘宸旭
为本文第一作者。
图
2
水凝胶层涂覆
PDMS
与无涂覆
PDMS
在空气或水环境中的光学特性
、模拟
分析
及应用示例
图
3
利用水凝胶层涂覆
PDMS
作为智能窗户的
实验
装置
测试
图及户外测试性能
结果
该工作是团队近期在胶体与界面科学、分子和纳米力学、高分子材料及相关工程过程中界面现象研究的最新进展之一。在过去的几年中，团队取得了一系列重要成果：
比如
开发了一种具有自修复和抗生物污染能力的新型可注射水凝胶（
Adv
.
Mater
.
2015
, 27, 1294
）；设计了一种由聚乙二醇和支链聚乙烯亚胺制备的合成水凝胶材料，兼具应变硬化和自修复能力（
ACS Nano
2017
, 11, 11074
）；通过纳米填料增强与胶束交联相结合，开发了新型水凝胶离子导体（
J. Mater. Chem. A
,
2020
, 8, 24718-24733
）；报告了一种由两种生物相容性聚合物构成的柔性水凝胶，能够通过生物应变强化或自我修复策略响应机械变形（
Chem. Mater.
2020
, 32, 24, 10545–10555
）；研发了基于胃环境适应性超分子组装的可注射自修复水凝胶，并探索了其在胃穿孔愈合中的应用（
ACS Nano
2021
, 15, 9913
）；通过模仿贻贝足丝结构，开发了新型组织粘附水凝胶（
Chem. Eng. J.
,
2022
, 434, 134418
）；将
Mfps
共轭物结合到聚乙烯醇基质中，实现了仿结缔组织结构的各向同性超强韧性水凝胶（
Chem. Mater.
2022
, 34, 19, 8613–8628
）；通过观察纤毛柱状上皮的结构与功能，设计了新型非对称式凝胶邮票贴（
Chem. Mater.
2023
, 35, 13, 4998–5008
）；受攀爬带刺植物
“
藤刺
”
结构的启发，设计出两性离子结合蛋白，用于复杂生物流体中的表面涂层和防污应用（
Adv
.
Mater
.
2023
, 35, e2208824
）；采用协同链段取向和共价锚定策略制造超疏油水凝胶涂层（
Adv. Funct. Mater.
2024
, 34
）；并开发了用于多维度传感器和可植入电子器件的各向异性纤维素导电水凝胶（
Adv. Funct. Mater.
2024
, 2416419
）。这些成果展示了团队在水凝胶材料设计
及
界面科学
与
应用领域的持续创新与突破。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c17403
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