又軟、又Q，“皮膚”般光潔，仿佛吹彈可破，嗯……我說的可不是軟妹子，是比軟妹子還要有用的——水凝膠。

    水凝膠這種柔軟的材料，在生產生活中有著重要的應用，比如我們常吃的果凍、佩戴的隱形眼鏡等等都是水凝膠的典型代表。在前沿的高分子學術研究中，水凝膠以其獨特而又廣泛可調的性質吸引著廣大研究者的注意，而水凝膠科學也早已有著長足的進步。

    比如，近幾年來比較火爆的“可塑交聯體”概念與水凝膠結合，得到的水凝膠就有很多新穎的性質，如剪切變稀、自修復等功能，這些功能來自于分子結構的設計并充分利用了超分子化學作用。盡管有很多出色的研究成果，并且在概念上也證明了這些材料的可行性，但是這些研究體系往往很復雜，成本極高，無法在工業上規模化生產。

    來自斯坦福大學材料科學與工程系的Eric A. Appel與MIT化學工程系Robert Langer發明了一種可以規模生產的水凝膠材料，具有良好的剪切變稀等性質，并且可以應用于管道清洗、野外滅火等場景。該項研究成果發表在知名科學雜志《PNAS》上。

    科學設計

    研究者使用的原料為纖維素與硅膠納米顆粒。纖維素來源環保、成本低、生物友好且又可在自然環境下降解，而硅膠納米顆粒也同樣是一種大規模使用的精細化學品。這就保證了材料生產成本低廉。二者在水溶液中混合會在自組裝作用下形成凝膠三維網絡，由于這種自組裝作用并不依賴于化學交聯，因此有著“剪切變稀”與“自修復”的效應。即在應力下，吸附在納米硅膠顆粒表面的纖維素分子鏈與其脫離以耗散應力，宏觀上凝膠則獲得了流動效應，因此會“剪切變稀”。而一旦外力撤掉，二者的自組裝作用使得其又形成三維網絡，因此有著“自修復”的作用。值得一提的是，該材料在擴大規模生產后，力學性能指標并沒有發生顯著改變。

    ▲ 該水凝膠的機理（上）；水凝膠可以從0.5ML的實驗室級別生產到15L的擴大規模生產（下）

    為了使得材料有著可以調節的性質，以滿足不同的應用場景需要，研究者進行了多種篩選與探究。比如纖維素種類（甲基纖維素或是羥乙基纖維素）與分子量、配料濃度、投料比例等參數，都對產品性能力學性能有著影響。

    ▲ ABC為不同制樣條件下的凝膠力學性能的對比；圖DEF為某一種條件下得到材料的力學性能指標。

    新材料，新應用

    在簡單且廉價地制備出這些材料后，研究者為它們找到了一些新的應用方向，這一回，他們決定玩一把“大”的。

    “大”體現在應用場景非常大。

    “星星之火，可以燎原”，毛主席用他的革命經驗告訴我們，對于野外火災，沒有一款有效的滅火劑是多么的糟糕。而這個問題直到現在也沒有非常完美地解決。目前常用的辦法就是配制阻燃劑多聚磷酸銨的水溶液，在野外火場的空中播撒，缺點是顆粒太小容易隨著橫風擴散。

    研究者則創造性地將他們的水凝膠材料引入到了這種滅火劑的配方之中。由于水凝膠中包含了大量的水，并且其墜落效果更加明顯，在燃燒物表面的存留時間也更長，因此更有利于野外火場使用，并且滅火效果更佳。

    ▲ 圖A使用了該水凝膠配方的滅火劑用于野外火場救援。圖CD為水凝膠滅火劑與常規多聚磷酸銨滅火劑效果的對比。

    此外，考慮到這種水凝膠具有良好的流動性，且無毒無害無氣味，研究者還將其開發為食品工業的管道清洗劑，也收獲了不錯的效果。

    ▲ 將該水凝膠材料作為食品生產線管道的清洗劑，不會給食品帶來額外的氣味且清洗效果更佳，并有效回收管道中的殘余食品。

    總之，這項研究利用最前沿的超分子化學進行材料分子設計，進而開發出真正有工業需求并有著規模化生產前景的產品，并且跳出了常規水凝膠研究的套路，將學術前沿與工業需要進行了有機結合，的確是一篇有著重要科學意義的研究！

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責任編輯：王元

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