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浙江大学，最新Science，“水凝胶”玩出新高度！

化工新材料 · 公众号 · · 2025-03-08 00:02

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水凝胶通过水力锁定策略实现了极端的温度耐受性

水凝胶是由水填充的交联聚合物网络构成的材料，广泛应用于组织工程、柔性电子设备和软机器人等领域。通过增强聚合物网络，水凝胶可以变得非常可拉伸且坚固。然而，与弹性体不同，水凝胶的柔韧性依赖于水分子。当温度变化时，水分的蒸发或冻结会导致水凝胶变硬变脆。 为了保持水凝胶的机械性能，关键在于锁住水分子并保持其流动性 。目前，常用的方法是用其他液体替代水，如离子液体或非挥发性有机化合物，以提高水凝胶的相变温度。虽然离子液体凝胶可以扩展温度范围，但它们容易吸湿，导致性能随时间下降。水溶液可以通过添加其他成分来提高水的转换屏障，降低冻结温度，但其高温阈值通常低于80°C。在这些替代溶剂的水凝胶中，水分子仍然处于流动状态，容易结冰或流失，从而使聚合物网络变得脆弱。

在此，浙江大学罗自生教授、杨卫院士、李铁风教授和杨栩旭副研究员提出了一种名为“水力锁定”的新策略，通过将水分子牢固地固定在水凝胶的聚合物网络中来实现。 这一策略利用硫酸在水分子和聚合物之间建立强连接，并通过引入牺牲网络来保护主聚合物网络免受破坏 。 在“水力锁定”模式下，藻酸酯-聚丙烯酰胺双网络水凝胶在-115°C到143°C的极端温度范围内仍能保持柔软和可拉伸的特性 。这一策略适用于多种水凝胶和溶液，能够在极端温度下保存和观察材料，甚至可用于生物样本的研究。相关成果以“Hydro-locking in hydrogel for extreme temperature tolerance”为题发表在 《Science》 上，第一作者为 Xiaochen Zhang ， Dong Li 和 杨栩旭 为共同一作。

【水力锁的设计和准备】

作者使用硫酸与聚合物的离子相互作用和氢键结合，表现出强大的结合能力（图1A）。硫酸分子通过与聚合物链上的羟基反应，替代质子基团，与聚合物结合。

【水力锁定的表征和验证】

硫酸溶液的加入抑制了水凝胶中的成核过程，进一步降低了相变温度，并消除了水的蒸发现象 。

图1：S-凝胶的水力锁定策略和相变温度

图2：S-凝胶中的反应和相互作用

【CS-Gel中的保护性碳点层】

然而，在DN-GEL中，藻酸盐网络与硫酸反应时牺牲，形成碳屏障，保护丙烯酰胺网络，防止进一步降解，并将水凝胶由透明转为黑色（图3）。

浙江大学，最新Science，“水凝胶”玩出新高度！

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