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近期水凝膠領域頂刊成果推薦

2022-04-18 14:32:54 作者：材料人來源：材料人分享至：

1、飛秒激光直寫3D仿生響應型水凝膠微致動器

據中科院官網報道，中國科學院理化技術研究所仿生智能界面科學中心有機納米光子學實驗室研究員鄭美玲團隊在4D刺激響應型仿生水凝膠微致動器的制備及應用方面取得新進展。研究合成了刺激響應型光刻膠前驅體，并結合結構設計，采用飛秒激光直寫技術制備出4D刺激響應型水凝膠微結構。微米級水凝膠致動器表現出快速的pH響應，還可通過pH響應來調控微顆粒的捕獲和釋放行為。飛秒激光直寫技術是實現響應型水凝膠結構微型化的重要手段。該技術采用飛秒激光作為光源，激光束經物鏡聚焦到光刻膠中，基于非線性光學效應，聚合反應僅發生在光子數密度極高的中心區域，因此具有高精度、真三維的特點。研究利用刺激響應型光刻膠，優化飛秒激光直寫參數及激光加工路徑，獲得了響應行為可控的4D水凝膠微結構。研究改變激光加工參數來調節水凝膠微結構局部區域的交聯密度，從而獲得可控的pH響應行為，變形時間短至1.2秒，恢復時間為0.3秒。在此基礎上，科研人員受捕蠅草捕獲行為的啟發，設計并加工了仿生不對稱水凝膠微致動器，通過pH觸發，實現和調節了其形狀變化，捕獲了單個或多個微顆粒，并可控地實現了微顆粒的同時釋放或順次釋放。研究團隊對仿生水凝膠微致動器的控制操縱將增加精確捕獲和釋放微小物體的潛力，使智能水凝膠微致動器的制備成為可能。這種微致動器在軟體機器人、微傳感器和微電子機械系統（MEMS）等研究領域具有潛在的應用價值。

2、基于電滲膨壓的水凝膠基強快速致動器

水凝膠，因其柔軟性、透明性和刺激響應性等優異性質，作為軟致動器材料，是極具前景的。然而，傳統刺激響應型水凝膠致動器，是采用滲透驅動的致動機制，致動力較弱，響應速度較慢。而且，能承受的壓力也很有限，如果壓力太大，傳統刺激響應型水凝膠致動器，就會崩潰或碎掉。主要是因為傳統刺激響應型水凝膠，低模量和滲透驅動的慢水擴散，使得弱和慢致動過程，仍然具有挑戰性。韓國首爾大學Ho-Young Kim，Jeong-Yun Sun團隊Hyeonuk Na等，利用膨壓和電滲，實現水凝膠基強而快的致動器。選擇性滲透膜限制了凝膠制造的膨壓致動器，可以保持驅動凝膠膨脹的高滲透壓；因此，這種致動器用1.16立方厘米水凝膠制成，可以承受較大應力[在96分鐘（min）內0.73兆帕（MPa）]。電滲加速了水的傳輸，凝膠迅速溶脹，提高了啟動速度（9min內0.79MPa）。該實驗策略，使柔軟水凝膠，能夠在幾分鐘內打破壁壘brick，并快速構建水下結構。該項研究，將水凝膠包裹在相對堅硬但柔韌的半透膜中，顯著增加了水凝膠的驅動應力，這限制了橫向變形。這種效應類似于在生物細胞中看到的膨壓。向水溶液中加入電解質，并施加電場也可以提高驅動速度，從而將驅動時間從數小時縮短到數分鐘。該項研究以Hydrogel-based strong and fast actuators by electroosmotic turgor pressure為題，發表在Science上。

3、雙網絡導電聚合物水凝膠

南方科技大學材料科學與工程系郭傳飛團隊報道了一種由PEDOT:PSS和聚乙烯醇（PVA）組成的雙網絡導電聚合物水凝膠（PEDOT:PSS/PVA DN），該材料具有高電導率（~10 S cm?1）和優異的拉伸性（~150%）。研究者采用降低PVA的含量的策略，來顯著提高前體水凝膠中PEDOT:PSS與PVA的相對質量比（約為1:1），然后使用酸處理來構建高導電聚合物網絡，并通過去溶脹來濃縮固體組分（PEDOT:PSS和PVA），從而獲得了高含量PEDOT:PSS（~5.5 wt.%）的雙網絡水凝膠。研究者將這種生物可粘附導電水凝膠粘附在肌肉上，在大鼠模型中進行穩定和長期的體內肌電（EMG）信號記錄；粘附在坐骨神經上時，可在在低至125 mV的刺激電壓下進行可靠的電刺激。研究者認為制備高導電性和高延展性雙網絡導電水凝膠的方法也可能擴展到其他材料系統，以推動下一代生物電子學的發展。研究成果以Highly conducting and stretchable double network hydrogel for soft bioelectronics為題發表于Adv. Mater.

4、形狀記憶水凝膠的通用策略

葡萄牙阿威羅大學的一個研究團隊報告了一種將非熱響應水凝膠轉化為具有形狀記憶能力的熱響應水凝膠系統的簡便方法。作為概念驗證，他們在熱敏聚氨酯（CHTMA）甲基丙烯酸殼聚糖、明膠（GELMA）、海帶素（LAMMA）或透明質酸水凝膠（HAMA）中嵌入聚氨酯網，提供了具有形狀記憶能力的水凝膠復合材料。按照這個思路，研究人員開發出形狀記憶水凝膠，獲得了良好的形狀固定率（50-90%）和良好的形狀恢復率，其37度下幾乎瞬間恢復至達到100%。細胞相容性測試表明，在所有形狀記憶過程中，無論是水凝膠頂部細胞還是被水凝膠包裹的細胞都具有良好的生存能力。這種簡單的方法開辟了一種廣泛的可能性，設計出的水凝膠可用于多種生物和非生物用途。研究成果以Universal Strategy for Designing Shape Memory Hydrogels為題發表于ACS Materials Lett.。

5、利用類共價氫鍵的相互作用實現的通用水凝膠網絡修復策略

浙江大學的曲紹興團隊報道了一種通過類共價氫鍵作用實現海藻糖網絡修復的策略，以改善水凝膠的力學性能，同時使其能夠耐受極端環境條件，并保持合成的簡單性，這被證明對各種水凝膠都是有用的。海藻糖改性水凝膠的力學性能（包括強度、伸長性和斷裂韌性）在較寬的溫度范圍內得到顯著提高。在脫水后，改性水凝膠保持其超彈性和功能，而未改性的水凝膠崩解。這一策略為合成具有極強耐受性、高度可伸縮性和韌性的水凝膠提供了一種通用的方法，使其在各種條件下都具有潛在的應用前景。相關工作以題為“A versatile hydrogel network–repairing strategy achieved by the covalent-like hydrogen bond interaction”的研究性文章在Science Advances上發表。

6、寬溫區無枝晶水系鋅離子電池用鍵調節水凝膠電解質

據中科院官網報道，水系鋅離子電池具有安全、成本低、環保、資源豐富且電化學特性優異等優點，被認為是有前景的儲能器件。但該類電池常用的液體電解液具有析氫析氧等副反應，同時還有較差的高低溫性能和泄露的危險。凝膠電解液是由水和聚合物基質組成的網絡結構體系，既能抑制副反應的發生，也能防止泄露，是有發展前景的水系電解質?；诖?，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所能源材料與器件研究部研究員胡林華團隊和石家莊學院教授季登輝合作開發了一種機械性能優異、離子電導率高和具有寬操作溫區（-20—60℃）的功能性水凝膠電解質。由該水凝膠制備的鋅離子電池具有穩定的循環性能（循環超過3000 h）、優異的電化學性能（在5 A/g下循環10000圈，容量為185 mAh/g）和高可逆的鋅嵌入/脫出（庫倫效率達到99.5%），在-20—60℃的溫度條件下，具有很好的穩定性和高的容量。此外，這種功能性水凝膠具有很好的拉伸、扭曲、壓縮和吸附性能，使其具有制備柔性儲能器件的潛力。以此水凝膠為基礎制備的柔性軟包電池具有很好的機械穩定性，在不同的彎曲角度下仍能保持穩定的電壓和容量。這種多功能凝膠電解質為開發高性能可充電水系鋅離子電池提供了一種策略。相關成果以“Bonding interaction regulation in hydrogel electrolyte enable dendrite-free aqueous zinc-ion batteries from ?20 to 60 °C”為題，發表在Chemical Engineering Journal 上。

7、超級可拉伸、快速自愈能力的離子水凝膠

北京納米能源與系統研究所李舟研究員團隊通過利用Li+的高水合能調節水凝膠材料在低溫下的高分子鏈擴散能力和動態相互作用，制備了一種在超低溫環境（-80℃）下具有穩定自愈合性能的多功能離子水凝膠（SSIH）。通過系統優化，該離子水凝膠可實現在受損后10分鐘內的快速自愈合、愈合后的材料可承受超過7000%以上的大變形，11.76 S/cm的穩定電導率和長達到13個月的綜合性能穩定性。特別是，即使在-80℃的極端低溫環境下，這些實用性能也能很好地保持，這為目前水凝膠基的自愈材料在零攝氏度下由于水分和聚合物鏈段凍結而失效的問題提供了可行的解決方案。在這項工作中，李舟研究員團隊通過仿生有髓軸突的結構和信號傳輸功能，展示了一種基于 SSIH 的人工神經纖維（SSANF），用于實現高保真和高通量的信息交互。將該人工神經纖維集成到多功能機器人時，SSANF展示了它在實時集成信號傳遞中的用途?？朔藗鹘y金屬導線無法拉伸和易拉斷的缺陷，SSANF在反復大變形下可保持穩定的傳輸性能，這使全柔性集成系統成為可能?；谠摱喙δ茈x子水凝膠的仿生器件將使仿生智能機器人更接近模擬復雜的生物系統，為機器人在極端條件下完成無人任務開辟更廣闊的應用場景。相關研究成果以題為：“Ultra-stretchable and fast self-healing ionic hydrogel in cryogenic environments for artificial nerve fiber”發表在最新一期Advanced Materials。

8、模量自適應潤滑水凝膠材料

據中科院蘭州化物所官網介紹，受鯰魚肌肉硬化觸發的表皮系統潤滑轉變行為啟發，中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室周峰研究員團隊，報道了一種新型模量自適應潤滑水凝膠材料。該材料由微米級厚度的表面聚電解質親水潤滑層和具有熱觸發相變特征的水凝膠承載層組成。在低溫條件下，材料處于柔軟狀態（模量：~0.3 MPa），滑動剪切會引起材料的嚴重彈性形變，摩擦對偶與材料表面接觸充分，使得界面摩擦系數較大（μ~0.37）。在維持材料表層水化狀態不變的條件下，對該材料進行加熱致使承載層凝膠發生相分離進而變硬（模量：~120 MPa），可大幅度抑制滑動剪切過程中材料的變形，從而導致摩擦對偶與材料表面接觸面積減小，摩擦系數顯著降低（μ~0.027）。該研究對認識接觸與摩擦、潤滑行為的科學關系，發展高性能水潤滑涂層，開發仿生智能潤滑系統和軟體機器人具有重要意義。該研究工作以“Modulus adaptive lubricating prototype inspired by instant muscle hardening mechanism of catfish skin” 為題發表在Nature Communications上。

9、基于超級吸水凝膠的太陽能蒸餾器

美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授和魯恒毅博士等人報道了一種去除含VOCs廢水的太陽能水凈化策略。超級吸水凝膠（super water-extracting gels, SWEG）是一種多功能太陽能蒸發器，可以將太陽能轉化為熱能，從VOC水溶液中提取水，并產生潔凈的水蒸氣。由高度水合的海藻酸鹽組成的SWEGs具有超交聯聚合物網絡（hypercrosslinked polymeric networks, HPNs），且水分子穿透HPNs時會與藻酸鹽聚合物鏈形成強氫鍵網絡。SWEG可以抑制其飽和含水量，并在分子水平上將其中含的水完全管控，避免自由水的存在，從根本上不同于傳統水凝膠。由于這種水-分子鏈氫鍵在熱力學上比水-VOC分子相互作用更穩定，因此SWEG可以從VOC溶液中提取水，將VOC與蒸發前沿隔離，從而防止產生的水蒸氣受到污染?；赟WEG，太陽能蒸餾能實現高VOCs去除率，其中對苯酚的去除率超過99.0%、對三氯乙烯的去除率為99.99%），并在1 sun（1 kW m-2）下達到1.4 kg m-2 h-1的水產量。與典型的基于膜的水凈化不同，基于SWEG的太陽能蒸餾器無需真空、膜再生和電力供應。這些特征表明，SWEG的概念可以促進下一代太陽能驅動的水凈化技術的發展，克服與VOCs造成的蒸汽污染相關的基本挑戰。研究成果以題為“Super Water-Extracting Gels for Solar-Powered Volatile Organic Compounds Management in Hydrological Cycle”發布在Advanced Materials上。

10、在通用材料和醫療器械表面生長水凝膠潤滑涂層的新方法

中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室周峰研究員課題組提出了一種在通用材料和醫療器械表面生長水凝膠潤滑涂層的新方法，即基于黏附性功能層（SIL）的紫外引發-表面催化引發自由基聚合方法（UV-SCIRP）[SIL@ UV-SCIRP]。制備得到的水凝膠涂層厚度和化學組分高度可調，可在室溫下快速在金屬、聚合物、無機物、生物有機體等各種基底表面生長出水凝膠涂層。該涂層與基材具有良好的界面結合強度，可有效改變基材表面固有的潤濕和水潤滑性能。該方法可成功在各種型號醫療器械外表面可控生長水凝膠潤滑涂層。摩擦測試表明，修飾了水凝膠潤滑涂層之后，兩種型號導尿管表面的摩擦系數均大幅度降低，并可承受300個循環的剪切測試。因此，該方法可以作為在表面/界面科學和工程領域一種前沿的通用修飾工具。研究成果以Universal Strategy for Growing Tenacious Hydrogel Coating from a Sticky Initiation Layer （SIL）為題發表于Advanced Materials。

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