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近期水凝膠領(lǐng)域頂刊成果推薦

2022-04-18 14:32:54 作者：材料人來(lái)源：材料人分享至：

1、飛秒激光直寫3D仿生響應(yīng)型水凝膠微致動(dòng)器

據(jù)中科院官網(wǎng)報(bào)道，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所仿生智能界面科學(xué)中心有機(jī)納米光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究員鄭美玲團(tuán)隊(duì)在4D刺激響應(yīng)型仿生水凝膠微致動(dòng)器的制備及應(yīng)用方面取得新進(jìn)展。研究合成了刺激響應(yīng)型光刻膠前驅(qū)體，并結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用飛秒激光直寫技術(shù)制備出4D刺激響應(yīng)型水凝膠微結(jié)構(gòu)。微米級(jí)水凝膠致動(dòng)器表現(xiàn)出快速的pH響應(yīng)，還可通過(guò)pH響應(yīng)來(lái)調(diào)控微顆粒的捕獲和釋放行為。飛秒激光直寫技術(shù)是實(shí)現(xiàn)響應(yīng)型水凝膠結(jié)構(gòu)微型化的重要手段。該技術(shù)采用飛秒激光作為光源，激光束經(jīng)物鏡聚焦到光刻膠中，基于非線性光學(xué)效應(yīng)，聚合反應(yīng)僅發(fā)生在光子數(shù)密度極高的中心區(qū)域，因此具有高精度、真三維的特點(diǎn)。研究利用刺激響應(yīng)型光刻膠，優(yōu)化飛秒激光直寫參數(shù)及激光加工路徑，獲得了響應(yīng)行為可控的4D水凝膠微結(jié)構(gòu)。研究改變激光加工參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)水凝膠微結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的交聯(lián)密度，從而獲得可控的pH響應(yīng)行為，變形時(shí)間短至1.2秒，恢復(fù)時(shí)間為0.3秒。在此基礎(chǔ)上，科研人員受捕蠅草捕獲行為的啟發(fā)，設(shè)計(jì)并加工了仿生不對(duì)稱水凝膠微致動(dòng)器，通過(guò)pH觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)和調(diào)節(jié)了其形狀變化，捕獲了單個(gè)或多個(gè)微顆粒，并可控地實(shí)現(xiàn)了微顆粒的同時(shí)釋放或順次釋放。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)仿生水凝膠微致動(dòng)器的控制操縱將增加精確捕獲和釋放微小物體的潛力，使智能水凝膠微致動(dòng)器的制備成為可能。這種微致動(dòng)器在軟體機(jī)器人、微傳感器和微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）等研究領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

2、基于電滲膨壓的水凝膠基強(qiáng)快速致動(dòng)器

水凝膠，因其柔軟性、透明性和刺激響應(yīng)性等優(yōu)異性質(zhì)，作為軟致動(dòng)器材料，是極具前景的。然而，傳統(tǒng)刺激響應(yīng)型水凝膠致動(dòng)器，是采用滲透驅(qū)動(dòng)的致動(dòng)機(jī)制，致動(dòng)力較弱，響應(yīng)速度較慢。而且，能承受的壓力也很有限，如果壓力太大，傳統(tǒng)刺激響應(yīng)型水凝膠致動(dòng)器，就會(huì)崩潰或碎掉。主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)刺激響應(yīng)型水凝膠，低模量和滲透驅(qū)動(dòng)的慢水?dāng)U散，使得弱和慢致動(dòng)過(guò)程，仍然具有挑戰(zhàn)性。韓國(guó) 首爾大學(xué)Ho-Young Kim，Jeong-Yun Sun團(tuán)隊(duì)Hyeonuk Na等，利用膨壓和電滲，實(shí)現(xiàn)水凝膠基強(qiáng)而快的致動(dòng)器。選擇性滲透膜限制了凝膠制造的膨壓致動(dòng)器，可以保持驅(qū)動(dòng)凝膠膨脹的高滲透壓；因此，這種致動(dòng)器用1.16立方厘米水凝膠制成，可以承受較大應(yīng)力[在96分鐘（min）內(nèi)0.73兆帕（MPa）]。電滲加速了水的傳輸，凝膠迅速溶脹，提高了啟動(dòng)速度（9min內(nèi)0.79MPa）。該實(shí)驗(yàn)策略，使柔軟水凝膠，能夠在幾分鐘內(nèi)打破壁壘brick，并快速構(gòu)建水下結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)研究，將水凝膠包裹在相對(duì)堅(jiān)硬但柔韌的半透膜中，顯著增加了水凝膠的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力，這限制了橫向變形。這種效應(yīng)類似于在生物細(xì)胞中看到的膨壓。向水溶液中加入電解質(zhì)，并施加電場(chǎng)也可以提高驅(qū)動(dòng)速度，從而將驅(qū)動(dòng)時(shí)間從數(shù)小時(shí)縮短到數(shù)分鐘。該項(xiàng)研究以Hydrogel-based strong and fast actuators by electroosmotic turgor pressure為題，發(fā)表在Science上。

3、雙網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電聚合物水凝膠

南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系郭傳飛團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種由PEDOT:PSS和聚乙烯醇（PVA）組成的雙網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電聚合物水凝膠（PEDOT:PSS/PVA DN），該材料具有高電導(dǎo)率（~10 S cm?1）和優(yōu)異的拉伸性（~150%）。研究者采用降低PVA的含量的策略，來(lái)顯著提高前體水凝膠中PEDOT:PSS與PVA的相對(duì)質(zhì)量比（約為1:1），然后使用酸處理來(lái)構(gòu)建高導(dǎo)電聚合物網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)去溶脹來(lái)濃縮固體組分（PEDOT:PSS和PVA），從而獲得了高含量PEDOT:PSS（~5.5 wt.%）的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠。研究者將這種生物可粘附導(dǎo)電水凝膠粘附在肌肉上，在大鼠模型中進(jìn)行穩(wěn)定和長(zhǎng)期的體內(nèi)肌電（EMG）信號(hào)記錄；粘附在坐骨神經(jīng)上時(shí)，可在在低至125 mV的刺激電壓下進(jìn)行可靠的電刺激。研究者認(rèn)為制備高導(dǎo)電性和高延展性雙網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電水凝膠的方法也可能擴(kuò)展到其他材料系統(tǒng)，以推動(dòng)下一代生物電子學(xué)的發(fā)展。研究成果以Highly conducting and stretchable double network hydrogel for soft bioelectronics為題發(fā)表于Adv. Mater.

4、形狀記憶水凝膠的通用策略

葡萄牙阿威羅大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種將非熱響應(yīng)水凝膠轉(zhuǎn)化為具有形狀記憶能力的熱響應(yīng)水凝膠系統(tǒng)的簡(jiǎn)便方法。作為概念驗(yàn)證，他們?cè)跓崦艟郯滨ィ–HTMA）甲基丙烯酸殼聚糖、明膠（GELMA）、海帶素（LAMMA）或透明質(zhì)酸水凝膠（HAMA）中嵌入聚氨酯網(wǎng)，提供了具有形狀記憶能力的水凝膠復(fù)合材料。按照這個(gè)思路，研究人員開(kāi)發(fā)出形狀記憶水凝膠，獲得了良好的形狀固定率（50-90%）和良好的形狀恢復(fù)率，其37度下幾乎瞬間恢復(fù)至達(dá)到100%。細(xì)胞相容性測(cè)試表明，在所有形狀記憶過(guò)程中，無(wú)論是水凝膠頂部細(xì)胞還是被水凝膠包裹的細(xì)胞都具有良好的生存能力。這種簡(jiǎn)單的方法開(kāi)辟了一種廣泛的可能性，設(shè)計(jì)出的水凝膠可用于多種生物和非生物用途。研究成果以Universal Strategy for Designing Shape Memory Hydrogels為題發(fā)表于ACS Materials Lett.。

5、利用類共價(jià)氫鍵的相互作用實(shí)現(xiàn)的通用水凝膠網(wǎng)絡(luò)修復(fù)策略

浙江大學(xué)的曲紹興團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種通過(guò)類共價(jià)氫鍵作用實(shí)現(xiàn)海藻糖網(wǎng)絡(luò)修復(fù)的策略，以改善水凝膠的力學(xué)性能，同時(shí)使其能夠耐受極端環(huán)境條件，并保持合成的簡(jiǎn)單性，這被證明對(duì)各種水凝膠都是有用的。海藻糖改性水凝膠的力學(xué)性能（包括強(qiáng)度、伸長(zhǎng)性和斷裂韌性）在較寬的溫度范圍內(nèi)得到顯著提高。在脫水后，改性水凝膠保持其超彈性和功能，而未改性的水凝膠崩解。這一策略為合成具有極強(qiáng)耐受性、高度可伸縮性和韌性的水凝膠提供了一種通用的方法，使其在各種條件下都具有潛在的應(yīng)用前景。相關(guān)工作以題為“A versatile hydrogel network–repairing strategy achieved by the covalent-like hydrogen bond interaction”的研究性文章在Science Advances上發(fā)表。

6、寬溫區(qū)無(wú)枝晶水系鋅離子電池用鍵調(diào)節(jié)水凝膠電解質(zhì)

據(jù)中科院官網(wǎng)報(bào)道，水系鋅離子電池具有安全、成本低、環(huán)保、資源豐富且電化學(xué)特性優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是有前景的儲(chǔ)能器件。但該類電池常用的液體電解液具有析氫析氧等副反應(yīng)，同時(shí)還有較差的高低溫性能和泄露的危險(xiǎn)。凝膠電解液是由水和聚合物基質(zhì)組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，既能抑制副反應(yīng)的發(fā)生，也能防止泄露，是有發(fā)展前景的水系電解質(zhì)。基于此，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所能源材料與器件研究部研究員胡林華團(tuán)隊(duì)和石家莊學(xué)院教授季登輝合作開(kāi)發(fā)了一種機(jī)械性能優(yōu)異、離子電導(dǎo)率高和具有寬操作溫區(qū)（-20—60℃）的功能性水凝膠電解質(zhì)。由該水凝膠制備的鋅離子電池具有穩(wěn)定的循環(huán)性能（循環(huán)超過(guò)3000 h）、優(yōu)異的電化學(xué)性能（在5 A/g下循環(huán)10000圈，容量為185 mAh/g）和高可逆的鋅嵌入/脫出（庫(kù)倫效率達(dá)到99.5%），在-20—60℃的溫度條件下，具有很好的穩(wěn)定性和高的容量。此外，這種功能性水凝膠具有很好的拉伸、扭曲、壓縮和吸附性能，使其具有制備柔性儲(chǔ)能器件的潛力。以此水凝膠為基礎(chǔ)制備的柔性軟包電池具有很好的機(jī)械穩(wěn)定性，在不同的彎曲角度下仍能保持穩(wěn)定的電壓和容量。這種多功能凝膠電解質(zhì)為開(kāi)發(fā)高性能可充電水系鋅離子電池提供了一種策略。相關(guān)成果以“Bonding interaction regulation in hydrogel electrolyte enable dendrite-free aqueous zinc-ion batteries from ?20 to 60 °C”為題，發(fā)表在Chemical Engineering Journal 上。

7、超級(jí)可拉伸、快速自愈能力的離子水凝膠

北京納米能源與系統(tǒng)研究所李舟研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)利用Li+的高水合能調(diào)節(jié)水凝膠材料在低溫下的高分子鏈擴(kuò)散能力和動(dòng)態(tài)相互作用，制備了一種在超低溫環(huán)境（-80℃）下具有穩(wěn)定自愈合性能的多功能離子水凝膠（SSIH）。通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化，該離子水凝膠可實(shí)現(xiàn)在受損后10分鐘內(nèi)的快速自愈合、愈合后的材料可承受超過(guò)7000%以上的大變形，11.76 S/cm的穩(wěn)定電導(dǎo)率和長(zhǎng)達(dá)到13個(gè)月的綜合性能穩(wěn)定性。特別是，即使在-80℃的極端低溫環(huán)境下，這些實(shí)用性能也能很好地保持，這為目前水凝膠基的自愈材料在零攝氏度下由于水分和聚合物鏈段凍結(jié)而失效的問(wèn)題提供了可行的解決方案。在這項(xiàng)工作中，李舟研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)仿生有髓軸突的結(jié)構(gòu)和信號(hào)傳輸功能，展示了一種基于 SSIH 的人工神經(jīng)纖維（SSANF），用于實(shí)現(xiàn)高保真和高通量的信息交互。將該人工神經(jīng)纖維集成到多功能機(jī)器人時(shí)，SSANF展示了它在實(shí)時(shí)集成信號(hào)傳遞中的用途。克服了傳統(tǒng)金屬導(dǎo)線無(wú)法拉伸和易拉斷的缺陷，SSANF在反復(fù)大變形下可保持穩(wěn)定的傳輸性能，這使全柔性集成系統(tǒng)成為可能。基于該多功能離子水凝膠的仿生器件將使仿生智能機(jī)器人更接近模擬復(fù)雜的生物系統(tǒng)，為機(jī)器人在極端條件下完成無(wú)人任務(wù)開(kāi)辟更廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。相關(guān)研究成果以題為：“Ultra-stretchable and fast self-healing ionic hydrogel in cryogenic environments for artificial nerve fiber”發(fā)表在最新一期Advanced Materials。

8、模量自適應(yīng)潤(rùn)滑水凝膠材料

據(jù)中科院蘭州化物所官網(wǎng)介紹，受鯰魚肌肉硬化觸發(fā)的表皮系統(tǒng)潤(rùn)滑轉(zhuǎn)變行為啟發(fā)，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周峰研究員團(tuán)隊(duì)，報(bào)道了一種新型模量自適應(yīng)潤(rùn)滑水凝膠材料。該材料由微米級(jí)厚度的表面聚電解質(zhì)親水潤(rùn)滑層和具有熱觸發(fā)相變特征的水凝膠承載層組成。在低溫條件下，材料處于柔軟狀態(tài)（模量：~0.3 MPa），滑動(dòng)剪切會(huì)引起材料的嚴(yán)重彈性形變，摩擦對(duì)偶與材料表面接觸充分，使得界面摩擦系數(shù)較大（μ~0.37）。在維持材料表層水化狀態(tài)不變的條件下，對(duì)該材料進(jìn)行加熱致使承載層凝膠發(fā)生相分離進(jìn)而變硬（模量：~120 MPa），可大幅度抑制滑動(dòng)剪切過(guò)程中材料的變形，從而導(dǎo)致摩擦對(duì)偶與材料表面接觸面積減小，摩擦系數(shù)顯著降低（μ~0.027）。該研究對(duì)認(rèn)識(shí)接觸與摩擦、潤(rùn)滑行為的科學(xué)關(guān)系，發(fā)展高性能水潤(rùn)滑涂層，開(kāi)發(fā)仿生智能潤(rùn)滑系統(tǒng)和軟體機(jī)器人具有重要意義。該研究工作以“Modulus adaptive lubricating prototype inspired by instant muscle hardening mechanism of catfish skin” 為題發(fā)表在Nature Communications上。

9、基于超級(jí)吸水凝膠的太陽(yáng)能蒸餾器

美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校余桂華教授和魯恒毅博士等人報(bào)道了一種去除含VOCs廢水的太陽(yáng)能水凈化策略。超級(jí)吸水凝膠（super water-extracting gels, SWEG）是一種多功能太陽(yáng)能蒸發(fā)器，可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，從VOC水溶液中提取水，并產(chǎn)生潔凈的水蒸氣。由高度水合的海藻酸鹽組成的SWEGs具有超交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)（hypercrosslinked polymeric networks, HPNs），且水分子穿透HPNs時(shí)會(huì)與藻酸鹽聚合物鏈形成強(qiáng)氫鍵網(wǎng)絡(luò)。SWEG可以抑制其飽和含水量，并在分子水平上將其中含的水完全管控，避免自由水的存在，從根本上不同于傳統(tǒng)水凝膠。由于這種水-分子鏈氫鍵在熱力學(xué)上比水-VOC分子相互作用更穩(wěn)定，因此SWEG可以從VOC溶液中提取水，將VOC與蒸發(fā)前沿隔離，從而防止產(chǎn)生的水蒸氣受到污染。基于SWEG，太陽(yáng)能蒸餾能實(shí)現(xiàn)高VOCs去除率，其中對(duì)苯酚的去除率超過(guò)99.0%、對(duì)三氯乙烯的去除率為99.99%），并在1 sun（1 kW m-2）下達(dá)到1.4 kg m-2 h-1的水產(chǎn)量。與典型的基于膜的水凈化不同，基于SWEG的太陽(yáng)能蒸餾器無(wú)需真空、膜再生和電力供應(yīng)。這些特征表明，SWEG的概念可以促進(jìn)下一代太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的水凈化技術(shù)的發(fā)展，克服與VOCs造成的蒸汽污染相關(guān)的基本挑戰(zhàn)。研究成果以題為“Super Water-Extracting Gels for Solar-Powered Volatile Organic Compounds Management in Hydrological Cycle”發(fā)布在Advanced Materials上。

10、在通用材料和醫(yī)療器械表面生長(zhǎng)水凝膠潤(rùn)滑涂層的新方法

中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周峰研究員課題組提出了一種在通用材料和醫(yī)療器械表面生長(zhǎng)水凝膠潤(rùn)滑涂層的新方法，即基于黏附性功能層（SIL）的紫外引發(fā)-表面催化引發(fā)自由基聚合方法（UV-SCIRP）[SIL@ UV-SCIRP]。制備得到的水凝膠涂層厚度和化學(xué)組分高度可調(diào)，可在室溫下快速在金屬、聚合物、無(wú)機(jī)物、生物有機(jī)體等各種基底表面生長(zhǎng)出水凝膠涂層。該涂層與基材具有良好的界面結(jié)合強(qiáng)度，可有效改變基材表面固有的潤(rùn)濕和水潤(rùn)滑性能。該方法可成功在各種型號(hào)醫(yī)療器械外表面可控生長(zhǎng)水凝膠潤(rùn)滑涂層。摩擦測(cè)試表明，修飾了水凝膠潤(rùn)滑涂層之后，兩種型號(hào)導(dǎo)尿管表面的摩擦系數(shù)均大幅度降低，并可承受300個(gè)循環(huán)的剪切測(cè)試。因此，該方法可以作為在表面/界面科學(xué)和工程領(lǐng)域一種前沿的通用修飾工具。研究成果以Universal Strategy for Growing Tenacious Hydrogel Coating from a Sticky Initiation Layer （SIL）為題發(fā)表于Advanced Materials。

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