隨著可穿戴和植入設備的快速發展，水凝膠逐漸成為柔性電子產品、人造皮膚和能量轉換領域重要的材料基礎。與在生物醫學領域的應用不同，水凝膠在柔性電子和器件上的應用是在環境條件下，而不是在水或溶液中，因此水凝膠自身失水是其亟待解決的重要問題，理解水凝膠內水分蒸發的微觀機理尤其重要。
針對上述問題，武漢大學劉抗研究員團隊研究了一系列水凝膠材料的蒸發特性，發現大部分水凝膠蒸發特性與水類似，如PAAM、PVA水凝膠，在空氣中會完全失水(圖1)。但有些水凝膠在環境條件下不會完全失去內部水分，會自發抵抗蒸發過程。而且在環境濕度升高時又會吸收空氣中的水分回到初始狀態，具備智能調節水分傳輸的功能，比如pHEMA水凝膠。而且該現象高度可重復，如圖2所示。由于水凝膠表面的蒸發和水分吸收是一個擴散限制過程（圖2c），也就是說，有些水凝膠（比如pHEMA）在其水分蒸發過程中能夠自發調節自身飽和蒸氣壓來實現低濕度下不持續失水、高濕度下從空氣吸水回復初始狀態。
圖1. 不同水凝膠的蒸發特性
圖2. 水凝膠表面的飽和蒸氣壓變化
為了厘清水凝膠調控自身飽和蒸氣壓的微觀機制，該團隊利用分子動力學模擬研究了水凝膠蒸發過程中聚合物網絡和水之間的相互作用變化。如圖3所示，模擬顯示水凝膠內部水分在蒸發過程中會逐漸被拉伸，同時壓力持續下降，最低可達到-140MPa (圖3g)。根據開爾文方程，這一負壓會顯著降低水分的飽和蒸氣壓。通過模擬與開爾文方程計算得到的水凝膠表面蒸氣壓與實驗結果趨勢一致（圖2d），證明了pHEMA此類水凝膠蒸發過程中的飽和蒸氣壓調控行為與水凝膠內部的絕對負壓有關。
圖3. 蒸發過程中pHEMA水凝膠內部水的狀態變化
通過上述分析，他們建立水凝膠蒸發的微觀機理模型(圖4)：蒸發過程中，水凝膠內部水分的減少會導致水分子與聚合物鏈的相互作用變強，水凝膠作為一個多孔彈性體，相互作用變強會使其體積收縮。但當水凝膠具有一定的機械強度，而水凝膠體積收縮明顯小于水的蒸發量時，水凝膠中的水被拉伸產生負壓。負壓降低水凝膠的表面蒸氣壓，抑制蒸發。當環境濕度升高時，低表面蒸氣壓使得水凝膠重新吸水，直至與新的環境濕度平衡。
圖4. 水凝膠智能蒸發的微觀機理示意圖
從上述機理可以看出，水凝膠自身的機械強度會顯著地影響其蒸汽壓調控能力，因此該團隊進一步測試了多種不同聚合物鏈、不同聚合方式、不同官能團的水凝膠楊氏模量和蒸汽壓調控能力的關系。如圖5所示，在相同的含水比例下，這些水凝膠的蒸氣壓調控能力與楊氏模量呈現出極強的相關性，楊氏模量越高的水凝膠，蒸氣壓調節能力越強，受聚合方式以及聚合物自身官能團等因素影響較小。
圖5 水凝膠蒸氣壓調控能力與其楊氏模量的關系
以上相關成果以“Polymer-water Interaction Enabled Intelligent Moisture Regulation in Hydrogels”為題發表在Journal of Physical Chemistry Letters (J. Phys. Chem. Lett. 2021, 12, 2587–2592)上。武漢大學劉禹希和劉曉威為論文共同第一作者，劉抗研究員為論文通訊作者。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpclett.1c00034
