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  水凝膠可由親水的聚合物鏈在水中交聯(lián)產生，其結構被交聯(lián)的聚合物網絡所穩(wěn)定，同時包含大量的水。因此，水凝膠常常表現出明顯的粘彈性特點。換言之，這種材料既可以表現出固體材料的彈性行為，也能展現出液體的塑性行為。水凝膠具有高含水量和易于設計的微觀結構，廣泛應用于生物醫(yī)學工程和柔性電子器件等領域。然而，動態(tài)水凝膠中的液體行為卻缺少足夠的研究，同時限制了其更廣泛、有效的應用。

  最近，德國哥廷根大學張凱教授領導的課題組充分利用動態(tài)復合水凝膠的粘彈性，成功將流動液體的特性與靜止液體的特性結合在一起，制造了形狀和微觀取向可調控的雙折射材料。

圖1.（a）動態(tài)復合水凝膠的組成；（b）纖維素納米微晶在動態(tài)水凝膠中的取向

  在剪切力或軸向拉伸的牽引下，由硼酸酯鍵（boronate ester bond）交聯(lián)的動態(tài)水凝膠表現出剪切變稀的現象，并驅動其中纖維素納米微晶（CNC）的流體力學取向（hydrodynamic alignment）。然而在外力撤銷后，由于纖維素納米微晶的觸變性，其取向結構被保存在快速松弛的水凝膠網絡中，從而留下流動液體的“足跡”。接下來通過靜置干燥，伸長的水凝膠轉變成干凝膠（xerogel），在此過程中，水凝膠表面張力則進一步增進了纖維素納米微晶的取向，因此在交叉的偏振片間展現出彩虹狀的干涉色。

圖2.（a）在水凝膠的拉伸和干燥過程中可觀察到的干涉色；（b）纖維素納米微晶的取向原理

  不同于一般的流體力學取向過程，在動態(tài)水凝膠中，纖維素納米微晶的取向不需要收斂的流動通道，而是直接被水凝膠收斂的邊界所限制。因此，所得到的干凝膠不僅表現出可調控的雙折射現象，其幾何形狀也可以進一步編輯：如形成不同截面形狀的纖維、薄膜，甚至扭轉的彈簧結構。此外，在表面張力的驅動下，拉伸干燥的管狀干凝膠可以形成向內凹陷的環(huán)狀曲面。迄今為止，這是第一種可以構建的中空類懸鏈曲面（pseudo catenoid），并形成各向異性微觀結構的方法。

圖3.（a）不同寬厚比的干凝膠薄膜；（b）不同截面的干凝膠纖維；（c）由管狀水凝膠形成的類懸鏈曲面

  該研究表明，通過充分運用動態(tài)復合水凝膠中的液體行為，動態(tài)液體和靜態(tài)液體的特性可以在同一材料的成型制備中得以體現。同時借助水凝膠自身的邊界，這些液體特性可以拓展到無需模具支撐的三維復雜結構中。相關成果發(fā)表在ACS Nano上，論文第一作者為Heqin Huang博士，通訊作者為張凱教授。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b00551