北京工業大學趙治、宋曉艷教授團隊 Adv. Mater.: 獨特分子網絡構造方法創造負溶脹凝膠
水凝膠具有優異理化特性，廣泛用于先進功能材料與智能材料。水下溶脹是水凝膠材料的一大通性。溶脹可導致凝膠機械強度下降與結構失穩，對其應用表現造成巨大影響。開發具有負溶脹率，即在水中脫水的新型凝膠可有效解決上述問題。然而，凝膠高分子網絡的內稟親水性與制備態凝膠的不飽和含水量使凝膠天然具有吸水傾向，達成負溶脹面臨極大挑戰。現有技術尚無法在不依賴特殊條件下實現凝膠水中自發脫水。
探索新型凝膠材料設計制備方法，以突破性分子作用機制實現水凝膠的自發負溶脹是當下亟需解決的前沿課題。近期，北京工業大學材料科學與工程學院趙治、宋曉艷教授團隊基于近期力學響應性凝膠與凝膠受限溶脹行為方面的最新成果，提出了一種構造負溶脹凝膠的全新方法。以具備力學響應特征的高分子網絡作為實現自發負溶脹的關鍵基元，利用其在外力作用下發生自組裝與團聚這一特性誘發凝膠體積収縮。以常規化學交聯網絡與力學響應性網絡構建相互穿插的雙重網絡，二者間的相互纏結使得凝膠內的力學作用可以在網絡間傳遞，同時二者可互為對方的溶脹限制結構。上述獨特凝膠結構置于水中時滲透壓會溶脹常規交聯網絡，增強其內部水壓；力學響應網絡在壓力環境下發生自組裝收縮，形成高穩定性顆粒相。由于網絡間纏結，力學響應網絡團聚過程會牽引常規網絡，限制其溶脹并最終導致互穿網絡整體排水收縮。上述機制已被多種表征手段證實（圖1）。
圖1 負溶脹機理研究
上述凝膠的負溶脹行為受多種材料體系自身參數與環境因素影響。實驗中對于反應物結構、反應物配比等對產物負溶脹熱力學與動力學的影響規律進行了研究，闡明了其作用機理并對負溶脹的發生速率與程度進行了大幅優化。同時還研究了真實環境條件，如溫度、pH、離子濃度等對負溶脹的影響，明確了負溶脹適用的條件范圍并建立了基于環境因素進一步強化負溶脹的有效策略（圖2）。
圖2 負溶脹行為的調控
與負折射率、負熱膨脹系數等反常性質類似，負溶脹可使得凝膠材料的性能在更廣闊維度上被調控，創造出常規凝膠難以具備的功能特性，進而大幅拓展其可應用的場景。本研究對負溶脹凝膠的力學、電化學、環境響應特征進行了系統表征，并開展了潛在應用研究。例如，基于負溶脹凝膠水下強韌化特征可開發高性能耐水柔性材料；利用其反向溶脹特性可大幅提升智能材料環境響應性；其體積收縮伴隨的牽引能力有望應用于損傷修復。對負溶脹凝膠的不斷深入研究必將發掘出越來越廣闊的應用場景（圖3）。
圖3 負溶脹帶來的獨特凝膠性能與潛在應用
該工作以“Hydration Induces Dehydration: Creating Negative Swelling Gel by a Paradox”為題發表在材料學頂刊《Advanced Materials》上（Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.202500104）。文章第一兼通訊作者是北京工業大學趙治教授，共同通訊作者是北京工業大學宋曉艷教授。該研究依托材料低碳循環再生全國重點實驗室、新型功能材料教育部重點實驗室，并得到國家自然科學基金的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202500104
