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我国学者在耐受极限温度水凝胶研究方面取得进展

2025/06/03

我国学者在耐受极限温度水凝胶研究方面取得进展

图 “锁水”水凝胶设计及其力学性能(a)“锁水”水凝胶微观结构示意图;(b)水凝胶在极端温度环境保持高弹性;(c)DSC测试表明-115℃至143℃维持稳定;(d)“锁水”水凝胶的极端温度力学性能稳定性

  在国家自然科学基金项目(批准号:T2125009、12102388、92048302、12321002)等资助下,浙江大学杨卫院士团队李铁风教授、杨栩旭特聘研究员和其合作者罗自生教授、李栋副研究员等在耐受极限温度水凝胶研究方面取得进展,针对水凝胶在环境变化时发生相变,导致丧失其固有特性这一难题,通过分子层面的力学设计,提出一种通用性“锁水(hydro-locking)”策略,制备了能够在-115℃至143℃的温度范围内保持柔性与功能性的水凝胶。相关成果以“水凝胶锁水实现极端温度耐受性(Hydro-locking in Hydrogel for Extreme Temperature Tolerance)”为题,于2025年2月28日在《科学》(Science)上发表。论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq2711。

  水凝胶是一种柔软的聚合物网络,其内部充满了水分子,温度的变化将会导致聚合物网络中的自由水分子蒸发或冻结,进而改变水凝胶的力学性能,使水凝胶延展性丧失且易断裂。传统的功能化改造与溶剂替换无法有效固定聚合物网络中的水分子,使得水凝胶所能承受的温度极限依然受制于所用溶液的相变温度。

  针对上述问题,研究团队提出了一种“锁水”策略,即通过在水分子与高分子网络间形成桥接作用力,将水分子铆接在高分子网络中,从而抑制水的相变,以起到稳定水凝胶状态的效果。“锁水”策略可以通过硫酸与双网络水凝胶的相互作用实现:一方面,基于硫酸与水、硫酸与聚合物的强作用力,产生硫酸水合物成功地将水分子铆接在聚合物网络中,充分抑制了水在极端温度下的相变;另一方面,额外引入牺牲网络,与硫酸反应,在水凝胶高分子主链上原位产生碳层,用于保护主链并使高分子网络也具有极端条件下的稳定性。所获得的水凝胶在极限温度也保持高断裂韧性,在-100℃下伸长率达到3倍,140℃下也超过4倍。团队进一步在单网络凝胶与其他溶液体系中实现了该策略,验证了该策略的通用性。该研究揭示了水凝胶中的水分子对水凝胶力学性能与功能性的影响,通过微观层面力学设计,突破了传统水凝胶的极限适用温度边界,为极端温度环境适应性高分子软材料设计提供了新范式。


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