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  水凝膠是一類具備三維網狀結構以及良好的親水性的高分子材料，但水凝膠材料天生質弱，強度低、韌性差，這大大限制了其應用范圍。近日，中南民大超支化聚合物團隊張道洪教授、姜宇教授將超支化拓撲結構引入水凝膠網絡中，利用超支化拓撲結構調控水凝膠微相分離，實現了高強韌水凝膠的高效構建，相關成果以“Strong and Ultra-Tough Hydrogel with Hierarchical Cross-Linking Network Architecture Constructed by Hyperbranched Topological Structure”為題，發表在高分子科學頂級期刊Macromolecules上（Macromolecules 2025, 58, 6512?6523），并被選為內頁封面。化材學院碩士研究生朱穎為論文第一作者，張道洪教授、姜宇教授為論文通訊作者，中南民族大學為論文第一署名單位。

  本工作將具有不同拓撲參數（支化度（DB）、支化點間距（S_n）、羧基官能度（f））的超支化分子引入聚丙烯酰胺-丙烯酸凝膠網絡中制備了具有不同超支化拓撲結構的水凝膠材料。研究表明，相比于線形結構交聯的水凝膠，超支化大分子的引入能顯著提高水凝膠的力學性能，其拉伸強度、斷裂伸長率、彈性模量和斷裂韌性分別可達7.3 MPa、323%、34.23 MPa、19.5 MJ m^-3。微觀結構分析表明，通過調節超支化分子的拓撲結構參數，能夠有效調控水凝膠的微相結構。一方面，引入具有適中DB和S_n值的超支化分子所構筑的水凝膠呈現出了最均勻致密的微相分離結構和最優的動態/非動態交聯平衡；另一方面，超支化分子中羧基官能度的增加，有利于形成更多的離子配位鍵和更均勻的疏水結構域，這二者能夠協同提升水凝膠的機械性能。

圖1. 超支化水凝膠的設計與制備

圖2. 超支化水凝膠的機械性能表征

圖3. 超支化水凝膠的微觀結構表征

圖4. 超支化水凝膠的增強增韌機理

  該水凝膠還展現出了優異的非傳統熒光性能和導電性。水凝膠的熒光發射源于交聯網絡中非傳統發色團的空間共軛效應，且熒光強度與應變呈現顯著的負相關關系。此外，通過調節超支化分子的拓撲結構，可精確調控水凝膠網絡的微觀結構，進而優化材料內部的離子傳輸路徑，最終實現水凝膠電導率的可控調節。鑒于上述特性，該水凝膠在傳感器領域展現出顯著優勢，可實時感知人體關節的微小形變，并通過可視化信號定量反饋運動狀態，在智能可穿戴設備領域展現出廣闊的應用前景。

  張道洪教授領銜的超支化聚合物團隊入選了湖北省自然科學創新群體、湖北省科技創新團隊和國家民委創新團隊。依托催化轉化與能源材料化學教育部重點實驗室和超支化聚合物合成與應用技術湖北省工程研究中心，主要圍繞超支化聚合物“基礎理論-關鍵技術-工程化與應用示范”創新鏈展開應用基礎研究。近年來，團隊在超支化拓撲結構精準調控（Chem. Soc. Rev. 2024, 53, 624; Angew. Chem. 2022, 61, e202211713; Chem. Eng. J. 2020, 387,124071; 2018, 334, 1371）、超支化聚合物結構與性能調控（Adv. Mater. 2024, 36, 2308434; Angew. Chem. 2023, 62, e202310832; Prog. Mater. Sci. 2022, 130, 100977; Nat. Sustain., 2020, 3, 29; Macromolecules, 2022, 55, 595; Chem. Eng. J. 2023, 465, 142998 )、超支化聚合物循環回收利用(Nat. Commun. 2024, 15, 4869; Macromolecules, 2023, 56, 5290; Chem. Eng. J. 2023, 471, 144329; ACS Sustain. Chem. Eng. 2023, 11, 11077）等領域取得了一系列研究進展，促進了相關領域快速健康發展。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.5c00513