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  離子介質交換或離子響應現象廣泛存在于生物界中。例如人體肌肉細胞收縮過程中存在Na⁺和Ka⁺的交換；廣鹽性魚類由于自身的滲透調節，能適應不同鹽度的水環境。離子響應型水凝膠是一類具有離子響應性質的高分子材料，該材料在仿生穿戴、軟體機器人和鹽差能轉化領域具有廣泛的應用前景。但是，目前大多數離子響應型水凝膠的工作環境多在0.5M-2M（例如NaCl溶液），高濃度的液體工作環境會帶來脫鹽慢、易礦化和泄露風險。因此，開發低濃度中對離子快速響應的水凝膠具有重要意義。

  北京工商大學高海南副教授課題組通過聚電解質和兩性離子聚合物鏈段(PNA和PDMAPS)的無規共聚，開發了一種離子響應型水凝膠，該水凝膠在0-0.6 wt% NaCl溶液中，體積變化近60倍（圖1）。水凝膠在純水和低濃度鹽溶液中平衡時，能夠在聚合物鏈段內產生動態可逆交聯，離子控制的動態可逆交聯可以進一步實現對膨脹性能的調節（圖2），同時也影響著材料的微觀孔徑和力學性能（圖3）。進一步進行了拉曼實驗，證實了聚合物鏈段在離子誘導下的動態交聯（圖4）。基于N2S8水凝膠在低濃度鹽溶液中體積超敏感性質，設計了具有快速響應優點的可視化離子濃度檢測裝置（圖5）。檢測結果與標準濃度對比，誤差小于0.17 wt%。此外，基于N2S8水凝膠在水中和鹽溶液中的動態可逆交聯帶來的宏觀體積變化，還設計了具有自動傳感和執行功能的智能液體閥門（圖6），該智能液體閥門可在低濃度溶液中(0.01-0.6wt%)快速響應，且在18個循環內流量穩定。證明了N2S8水凝膠閥在調節和控制液體泄漏和液體輸運方面的巨大潛力。

圖6 基于N2S8水凝膠組成的智能離子響應閥門。

  論文鏈接：https://www.sciengine.com/SCMs/doi/10.1007/s40843-023-2688-y