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。
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透明之间的可逆转变
。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。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
水凝胶溶胀前后表面粗糙度的和折射率的变化
。此外，当用作
智能窗户
时，水凝胶层有效地将
光强
减少了
36%
，在阳光直射下实现了
5.09°C
的
降温
；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。
【水凝胶涂层的制备与应用设计】
利用在聚合物表面吸附的疏水性引发剂和水凝胶预聚溶液中的亲水性引发剂，在PDMS上制备了聚丙烯酰胺涂层。
由于聚丙烯酰胺水凝胶的特殊结构，其在干燥和湿润条件下的微观结构和光学性能变化是可逆的。
在干燥状态下，水凝胶涂层逐渐失水；而在潮湿或者水中，水分子会扩散并与聚合物链上的亲水基团相互作用，导致水凝胶吸水溶胀。
与块状水凝胶相比，附着在PDMS上的水凝胶层膨胀自由度较低，因此在需要材料溶胀前后体积变化较小的应用中具有优势。
水凝胶层在空气中或干燥状态下不透明，但在水中或湿润状态下变为透明。该设计集成了多种功能，包括水写或水画、可逆光学加密/解密以及智能窗户。水凝胶层的光学特性归因于其在水或溶剂中溶胀前后发生的可逆形变。
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
【水凝胶涂层的光学调控】
测量并对比了PDMS无涂层和有水凝胶涂层时在空气或水环境中的透光率。实验结果表明，
水凝胶层在空气中的可见光透光率仅为5.2-9.9%，而在水中可达66.6-82.9%
。与传统研究中水溶胀软物质变不透明的现象不同，本研究中水凝胶层在水溶胀后变得透明。根据微观形貌表征可知，水凝胶层在空气中粗糙且起皱，但在吸水后变得光滑，透光率显著提高。
通过COMSOL多物理场模拟，研究了干燥和湿润水凝胶层在PDMS基底上的透光率和反射率随波长的变化。
由模拟结果所示，干燥水凝胶涂层的透光率仅为7.8%，而湿润涂层可达77.1%，与实验数据吻合。干燥水凝胶层的光散射较强，而湿润后由于折射率接近水（从1.50降至1.3-1.35）且表面粗糙度降低，散射减少。
水凝胶层的不透明-透明-不透明过程可循环至少30次而无明显损伤
，展示了其稳定、可重复的光学调控性能。此外，湿润水凝胶层在脱水过程中透光率逐渐降低，从35-47%降至10%，响应时间约为900秒，而从干燥到湿润的转变几乎瞬间完成。水凝胶层在乙醇和异丙醇中也表现出良好的光学调控特性。
图2 不同材料体系在空气或水环境中的光学特性、模拟分析及应用示例：(a) 无涂层PDMS和有水凝胶涂层PDMS在空气或水环境中的透光率；(b) 通过COMSOL模拟的干燥或湿润水凝胶层在PDMS表面上的垂直入射光透光率随波长的变化；(c) 干燥或湿润水凝胶层在PDMS表面上的光散射示意图；(d) 水凝胶层在空气和水环境中的透光率循环测试；(e) 湿润水凝胶层向干燥水凝胶层转变的透光率变化；(f) 湿润水凝胶层透光率随干燥时间的变化。(g)水凝胶层在空气和水中的宏观图片；(h)使用湿润水笔书写前后水凝胶层表面的宏观图片。
【水凝胶层涂覆PDMS用作智能窗户时的性能测试】
基于水凝胶层在干燥状态下低透光性和湿润状态下高透光性的特性，PDMS上的水凝胶层有望用作智能窗户。
在阳光充足且无雨的条件下，干燥的水凝胶层可阻挡大部分阳光，有助于保持室内凉爽；而在潮湿或降雨条件下，水凝胶层吸水后透明度增加，允许更多阳光进入室内。
为验证这一概念，研究者测试并评估了水凝胶层在智能窗户上的冷却和遮阳效果。结果表明，在晴天直射阳光下，水凝胶涂层PDMS的光强和温度均低于环境值，其光强比无窗户配置低0.43 kW/m²（36%），比未涂层PDMS低0.40 W/m²（35%）。此外，水凝胶涂层使温度比无窗户配置低5.09°C，比未涂层PDMS低0.82°C。若忽略空气对流的影响，该智能窗户可降低温度约7°C。在阴天条件下，水凝胶层的光强始终低于1 kW/m²，最终降至约0.05 kW/m²，温度从36°C逐渐降至22°C。水凝胶层作为窗户时，光强比无窗户配置降低约55%。在测试初期，
由于阳光存在，水凝胶层的温度比环境低6°C；而在阳光消散后，其温度比无窗户配置高0.67°C，比PDMS高0.48°C
。这些结果表明，水凝胶层不仅在直射阳光下降低光强和温度，还能在无阳光时保温。
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：（a-c）不同环境下对光强和温度的测试装置示意图。(d) 在晴天时涂有水凝胶层的PDMS、无涂层PDMS以及环境中的光强和温度测量结果。(e) 晴天时涂有水凝胶层的PDMS与环境之间的光强和温度变化。(f) 在阴天和小雨条件下，涂有水凝胶层的PDMS、无涂层PDMS以及环境中的光强和温度测量结果。(g) 阴天和小雨条件下，涂有水凝胶层的PDMS与环境之间的光强和温度变化。
【小结】
该研究开发了一种具有可逆的纳米结构响应和光学特性变化的水凝胶涂层体系。该体系展示了从空气中不透明到水溶胀后高透明度的可逆转变，可见光透光率从空气中的7.8%显著提升至溶胀后的77.1%，并在30次循环中保持优异的可逆性。这种光学切换行为归因于吸水前后引起的水凝胶纳米结构变化。该材料体系兼具有水凝胶的超低润滑性和PDMS基体的良好力学性能。此外，作为智能窗户时，涂覆有水凝胶层的PDMS在直射阳光下可减少36%的光强，并实现了5.09°C的温度降低，同时还可以在阴雨天条件下实现保温。与传统的功能性软材料不同，本研究中的水凝胶涂层在湿润时透明、干燥时不透明，为信息加密、智能窗户和湿度传感器等创新应用提供了可能。
