Science Advances：脱水条件下水凝胶的同时硬化和软化

Nanoyu

2023-01-08

水凝胶是一种非同寻常的软物质系统，它是研究丰富的多物理现象的实验室，应用范围从生物兼容传感器到软机器人。

近日，西安交通大学刘子顺通过实验发现，水凝胶在脱水过程中表现出同时的机械硬化和软化。

文章要点

1）随着水凝胶中水含量的降低，水凝胶的杨氏模数几乎呈指数增加，即脱水引起的机械硬化。然而，应用最广泛的Flory理论和基于Flory工作的现有水凝胶力学行为表征理论表明，水凝胶的杨氏模数与含水率呈1/3的幂函数关系。基于Flory的理论之所以不能预测硬化效应，是因为它们完全基于熵弹性。这与我们的原子模拟形成对比，原子模拟提供了明确的证据，表明仅仅依靠熵弹性来使水凝胶水化或脱水是不合理的。原子模拟表明，在水凝胶脱水过程中，聚合物链将被束缚，其迁移率将逐渐降低。因此，熵弹性假设不再成立。另一方面，对于相同的测试水含量，如果水凝胶经历了从初始水含量较高的制备状态的脱水过程，则会变得更软。研究人员称之为脱水诱导的水凝胶软化现象。然而，现有的理论总是给出完全相同的力学响应，无论它是什么准备条件。

2）分子尺度研究表明，脱水会导致聚合物链的预松弛，增加流动性，从而使水凝胶变得更软。同时，如果预制的水含量较低，会使凝胶变得更加坚硬，网络中会有更多的缠结。因此，凝胶的脱水软化效应是由凝胶中的预弛豫和纠缠水平差异引起的。在我们的实验和分子尺度研究的基础上，我们提出了一个基于统计热力学的唯象理论，它能够准确地捕捉到水凝胶在脱水过程中同时出现的硬化和软化现象。

3）将这种方法应用于软机器人、自组装以及解释聚合物物理和植物形态进化的基本机制方面的现有问题的机会是巨大的。这里的第一个例子是功能柔性结构的四维打印。通过在印迹结构的特定位置打印不同初始水含量的聚合物凝胶，可以在依赖时间的刺激(脱水或水合)后获得其他复杂的结构。印刷结构的这种形态转变或自组装是通过不同区域之间的刚度差异和膨胀失配来实现的。预计在对环境刺激做出反应的智能执行器和机器人领域将产生进一步的兴趣。

4）研究人员展示了在可以执行抓取和扭转动作的水下手臂中的应用。通过制造更详细的结构，能够实现更复杂的功能，如设计人造鱼和灵活的机器人，制造意大利面，以及模拟植物的生长。

这种方法的另一个意义在于揭示了原子级链相互作用模式的本质以及在聚合物和聚合物凝胶中它们之间所起的溶剂的作用。它也可用于聚合物材料的设计。

参考文献

Shuai Xu, et al, Concurrent stiffening and softening in hydrogels under dehydration, Sci. Adv. 9, eade3240 (2023)

DOI: 10.1126/sciadv.ade3240

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade3240