撰文：李一鳴

水凝膠具有類似于生物組織的富水性和彈性，被廣泛用于多種領(lǐng)域，如：化妝品中的面膜、退熱貼，農(nóng)業(yè)用薄膜，建筑中結(jié)露防止劑、調(diào)濕劑，醫(yī)療中的藥物載體等等。然而，傳統(tǒng)水凝膠在零下溫度時將出現(xiàn)結(jié)冰及隨之而來的彈性消失現(xiàn)象，大地限制了其在生物組織工程中的應(yīng)用。長久以來，這個問題一直未得到有效解決。

近，北京航空航天大學(xué)劉明杰教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊從自然界獲取靈感，根據(jù)高緯度和高海拔地區(qū)的生物因細(xì)胞多脂而度耐寒的現(xiàn)象，成功制備出一種具有異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的二元油水凝膠。該凝膠除可在-78-80 ℃的寬溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定彈性外，還具有優(yōu)良的自適應(yīng)（隨溶劑性質(zhì)不同而變化的）潤濕性。那么它是如何制備出來的？又有哪些應(yīng)用前景呢？讓我們一起來看下面的介紹。

材料制備

團(tuán)隊首先以聚n,n-二甲基丙烯酰胺的親水網(wǎng)絡(luò)（hpn）為三維支架，然后對分散其中的甲基丙烯酸正丁酯進(jìn)行原位聚合得到親油網(wǎng)絡(luò)（opn），由此實現(xiàn)水凝膠和油凝膠二元相互滲透的異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

性能介紹

01

溶脹性能

圖1. 具有不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)溶膠的溶脹行為及透光性變化

油水凝膠中兩組分相反的溶劑（水性和油性），受親和作用影響使其在水和油中均產(chǎn)生溶脹；當(dāng)凝膠具有合適的opn/hpn質(zhì)量比時，兩組分在空間上的相互約束使其在水和油中的膨脹體積相近。此外，在水和油中，兩組分的相對分布狀態(tài)存在差異，導(dǎo)致水和油中溶脹樣品的透光性不同。

02

自適應(yīng)潤濕性?

??圖2.油水凝膠的自適應(yīng)表面潤濕性和結(jié)構(gòu)重構(gòu)特征。其中(b-d)為樣品表面共聚焦raman成分圖

從宏觀上看，該油水凝膠可產(chǎn)生隨溶劑性質(zhì)改變而變化的表面潤濕行為，并與微觀異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)在不同溶劑中的結(jié)構(gòu)重排有關(guān)：當(dāng)凝膠在水下時，網(wǎng)絡(luò)中的hpns溶脹并導(dǎo)致表面opns向內(nèi)收縮，使凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃z，從而產(chǎn)生超疏油性；當(dāng)凝膠在油下時，opns向油中溶脹并導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的hpns向內(nèi)坍縮，使凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)轭愑湍z，從而產(chǎn)生超疏水性。

在實驗中，團(tuán)隊使用horiba labram hr evolution型共聚焦拉曼光譜儀，并用labspec-6軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到不同環(huán)境下凝膠表面的共聚焦raman圖像，從而在亞微米級精度表征了上述變化的化學(xué)結(jié)構(gòu)改變。另外，該油水凝膠還具有快地（< 5 min）、高度可逆地潤濕轉(zhuǎn)變性能：在水和油中快速、多次交替浸沒后，凝膠優(yōu)良的自適應(yīng)潤濕性仍可保持。

03

抗凍和耐熱性?

圖3.寬溫度范圍內(nèi)的彈性穩(wěn)定性

對于熱響應(yīng)機械性能，異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的二元油水凝膠表現(xiàn)更為出眾。它不會出現(xiàn)傳統(tǒng)水凝膠在-10 ℃斷裂和油凝膠在80 ℃癱軟的現(xiàn)象，因為它的的互補效應(yīng)使該油水凝膠從更低的實驗溫度到80 ℃高溫均保持穩(wěn)定的彈性。以此觀之，它具有強的抗凍和耐熱能力。

應(yīng)用前景

基于以上特性，團(tuán)隊相信，該油水凝膠在智能開關(guān)系統(tǒng)、抗凍、防蠟、防著色和異質(zhì)催化等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。據(jù)悉，利用其自適應(yīng)潤濕性，該團(tuán)隊在此研究中已對油水凝膠作為智能開關(guān)的油水分離系統(tǒng)進(jìn)行了實驗探索。另外，此研究中異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的概念，以及二元凝膠性能對水凝膠和油凝膠性能的橋接思路，將啟發(fā)研究者開發(fā)出更多功能獨特及優(yōu)勢互補的多元軟性材料。

此項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重大科學(xué)研究計劃、中國科學(xué)院重點部署項目、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金和國家青年千人計劃等的資金支持。相關(guān)研究成果已于近期發(fā)表在英國自然出版集團(tuán)旗下的快訊類在線期刊《nature communications》上。

本文參考文獻(xiàn)： hainan gao, ziguang zhao, yudongcai, jiajia zhou, wendahua, lie chen, li wang, jianqi zhang, dong han, mingjie liu, lei jiang, “adaptive and freeze-tolerant heteronetworkorganohydrogels with enhanced mechanical stability over a wide temperature range”. nature communications 2017, 8, 15911

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