新型水凝膠：越“長大”越堅韌

5月29日，記者從湖北工業大學獲悉，該校材料與化學工程學院微納米及軟物質科研團隊李學鋒教授、黃以萬副教授提出通過一種簡單的二次平衡法，開發出一系列溶脹卻力學性能增強的水凝膠材料，其力學性能優于許多已報道的高性能水凝膠，這一研究改變了研究者對水凝膠“溶脹-力學性能弱化”的普遍認知，為研發溶脹且增強的水凝膠材料提供一種簡易方法。相關研究成果日前在《先進功能材料》上發表。

作為一類十分重要的軟物質，高分子水凝膠具有類似于生物軟組織的軟、濕等物理特性，在生物組織工程、藥物輸送、軟體機器人等諸多領域均表現出十分迷人的應用前景。

然而，合成高分子水凝膠通常卻并不遵循生命體系中“長大-變強”的自然規律。當在水或稀溶液中溶脹時，高分子網絡被稀釋會導致鏈密度降低，合成水凝膠通常表現出與生命體系相反的幾何尺寸-力學性能關系，即尺寸變大卻力學性能弱化現象。

為提高高分子水凝膠的力學性能，研究者們目前傾向于在水凝膠網絡中引入更多的物理或化學鍵合，增強高分子鏈間的相互作用，實現力學性能強化目的。

設計并開發一種類似于生命體系中尺寸變大而力學性能增強的水凝膠，十分有趣卻充滿挑戰。

為此，上述研究團隊提出通過一種簡單的二次平衡法制備了一系列溶脹卻力學性能增強的水凝膠材料。

為探究該水凝膠體系中溶脹且力學性能增強的行為，該團隊進一步系統研究了初始水凝膠在金屬鹽溶液中的透析時間及鹽溶液濃度對其物理、化學結構及力學性能的影響，結果表明這兩種因素均會顯著影響水凝膠多相微結構重構及溶脹且力學性能增強的行為。

李學鋒介紹，隨著透析時間增加，水凝膠樣品的體積先迅速增大，然后經歷一段較緩慢的降低，最后趨于穩定，這一過程持續數月。在這個緩慢的透析過程中初始水凝膠網絡的多相微結構尺寸先顯著降低，后緩慢變大，最后趨于與初始水凝膠相似的微結構尺寸。

相似地，隨著金屬鹽溶液濃度的增加，水凝膠的體積先快速增加，然后緩慢降低。盡管最終得到的水凝膠體積明顯“長大”，其力學性能卻顯著增強。這項研究為聚電解質水凝膠網絡在金屬離子溶液中的行為提供了新見解。