又軟、又Q，“皮膚”般光潔，仿佛吹彈可破，嗯……我說的可不是軟妹子，是比軟妹子還要有用的——水凝膠。

    水凝膠這種柔軟的材料，在生產生活中有著重要的應用，比如我們常吃的果凍、佩戴的隱形眼鏡等等都是水凝膠的典型代表。在前沿的高分子學術研究中，水凝膠以其獨特而又廣泛可調的性質吸引著廣大研究者的注意，而水凝膠科學也早已有著長足的進步。

    比如，近幾年來比較火爆的“可塑交聯(lián)體”概念與水凝膠結合，得到的水凝膠就有很多新穎的性質，如剪切變稀、自修復等功能，這些功能來自于分子結構的設計并充分利用了超分子化學作用。盡管有很多出色的研究成果，并且在概念上也證明了這些材料的可行性，但是這些研究體系往往很復雜，成本極高，無法在工業(yè)上規(guī)模化生產。

    來自斯坦福大學材料科學與工程系的Eric A. Appel與MIT化學工程系Robert Langer發(fā)明了一種可以規(guī)模生產的水凝膠材料，具有良好的剪切變稀等性質，并且可以應用于管道清洗、野外滅火等場景。該項研究成果發(fā)表在知名科學雜志《PNAS》上。

    科學設計

    研究者使用的原料為纖維素與硅膠納米顆粒。纖維素來源環(huán)保、成本低、生物友好且又可在自然環(huán)境下降解，而硅膠納米顆粒也同樣是一種大規(guī)模使用的精細化學品。這就保證了材料生產成本低廉。二者在水溶液中混合會在自組裝作用下形成凝膠三維網(wǎng)絡，由于這種自組裝作用并不依賴于化學交聯(lián)，因此有著“剪切變稀”與“自修復”的效應。即在應力下，吸附在納米硅膠顆粒表面的纖維素分子鏈與其脫離以耗散應力，宏觀上凝膠則獲得了流動效應，因此會“剪切變稀”。而一旦外力撤掉，二者的自組裝作用使得其又形成三維網(wǎng)絡，因此有著“自修復”的作用。值得一提的是，該材料在擴大規(guī)模生產后，力學性能指標并沒有發(fā)生顯著改變。

    ▲ 該水凝膠的機理（上）；水凝膠可以從0.5ML的實驗室級別生產到15L的擴大規(guī)模生產（下）

    為了使得材料有著可以調節(jié)的性質，以滿足不同的應用場景需要，研究者進行了多種篩選與探究。比如纖維素種類（甲基纖維素或是羥乙基纖維素）與分子量、配料濃度、投料比例等參數(shù)，都對產品性能力學性能有著影響。

    ▲ ABC為不同制樣條件下的凝膠力學性能的對比；圖DEF為某一種條件下得到材料的力學性能指標。

    新材料，新應用

    在簡單且廉價地制備出這些材料后，研究者為它們找到了一些新的應用方向，這一回，他們決定玩一把“大”的。

    “大”體現(xiàn)在應用場景非常大。

    “星星之火，可以燎原”，毛主席用他的革命經(jīng)驗告訴我們，對于野外火災，沒有一款有效的滅火劑是多么的糟糕。而這個問題直到現(xiàn)在也沒有非常完美地解決。目前常用的辦法就是配制阻燃劑多聚磷酸銨的水溶液，在野外火場的空中播撒，缺點是顆粒太小容易隨著橫風擴散。

    研究者則創(chuàng)造性地將他們的水凝膠材料引入到了這種滅火劑的配方之中。由于水凝膠中包含了大量的水，并且其墜落效果更加明顯，在燃燒物表面的存留時間也更長，因此更有利于野外火場使用，并且滅火效果更佳。

    ▲ 圖A使用了該水凝膠配方的滅火劑用于野外火場救援。圖CD為水凝膠滅火劑與常規(guī)多聚磷酸銨滅火劑效果的對比。

    此外，考慮到這種水凝膠具有良好的流動性，且無毒無害無氣味，研究者還將其開發(fā)為食品工業(yè)的管道清洗劑，也收獲了不錯的效果。

    ▲ 將該水凝膠材料作為食品生產線管道的清洗劑，不會給食品帶來額外的氣味且清洗效果更佳，并有效回收管道中的殘余食品。

    總之，這項研究利用最前沿的超分子化學進行材料分子設計，進而開發(fā)出真正有工業(yè)需求并有著規(guī)模化生產前景的產品，并且跳出了常規(guī)水凝膠研究的套路，將學術前沿與工業(yè)需要進行了有機結合，的確是一篇有著重要科學意義的研究！

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責任編輯：王元

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