湖南大学王建锋Nature子刊——实现高水含量、高强度水凝胶的新策略：晶核控制

水凝胶材料凭借其高含水量、柔韧性和可调控性在众多应用领域中引起广泛关注的同时，也面临着诸多挑战，特别是机械性能的提升与水含量之间的平衡问题。传统的高含水量水凝胶往往表现出良好的柔韧性，但往往以机械性能的削弱为代价，大量的水分削弱了聚合物网络间的相互作用，导致水凝胶在受到外力时易发生形变甚至破坏，无法承受大负载或反复的机械冲击。 如何在保持高水含量的同时，增强水凝胶的强度和韧性，成为该领域亟需解决的关键难题。

为此，科研工作者们尝试通过增加水凝胶的交联密度或引入无机纳米粒子等手段来增强材料的机械强度，但这些方法常常不可避免地伴随着材料的水含量减少，失去了水凝胶的柔性与高含水特性。因此，如何在不损失水凝胶的高含水量的前提下，提升其机械强度和耐久性，成为水凝胶领域亟待解决的瓶颈问题。

湖南大学 王建锋 教授研究团队提出了一种 全新的晶核控制策略（去质子化 -络合-再质子化），利用这一过程对聚合物网络中的晶核生成进行精确控制，避免了过度晶化导致材料脆性增加的问题。通过晶核控制技术，精准调控水凝胶中晶核的生成和分布，最终实现了同时具备高强度和高水含量的水凝胶材料。 该工作以 “Control nucleation for strong and tough crystalline hydrogels with high water content”为题于2024年9月发表于《Nature Communications 》上。

【 文章亮点 】

1. 晶核控制策略 ： 该研究提出的去质子化 -络合-再质子化策略能够有效控制水凝胶中晶核的生成和分布。这一创新突破了传统通过加速聚合物链聚集来促进结晶的方式，避免了由于大颗粒生成而导致的体积收缩和水含量减少的问题。

2. 高水含量与高机械性能的平衡 ： 传统的水凝胶制备方法通常面临结晶增强与水含量之间的权衡。该研究通过精准控制晶核的生成，成功在 80%水含量的前提下，达到了7.4 MPa的拉伸强度和12.4 kJ/m²的断裂韧性。

3. 适用性与可扩展性 ： 该方法不仅适用于 PVA，还可以推广到其他聚合物体系。通过调节去质子化和络合过程中的条件，能够设计出不同应用需求下的高性能水凝胶。

图 1：去质子化-络合-质子化策略示意图。

图 2：结晶过程分析。

图 3：去质子化程度控制成核密度以改善 PVA-OH 水凝胶的晶体形貌并增强其机械性能

图 4：络合温度控制成核均匀性，用于细化晶体形态并增强 PVA-OH 水凝胶的机械性能。

图 5：PVA-OH水凝胶的强化和增韧机制。

参考文献：

Limei Huang, Hao Li, Shunxi Wen, Penghui Xia, Fanzhan Zeng, Chaoyi Peng, Jun Yang, Yun Tan, Ji Liu, Lei Jiang & Jianfeng Wang *