又軟、又Q，“皮膚”般光潔，仿佛吹彈可破，嗯……我說(shuō)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(chǎn)生活中有著重要的應(yīng)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(xué)術(shù)研究中，水凝膠以其獨(dú)特而又廣泛可調(diào)的性質(zhì)吸引著廣大研究者的注意，而水凝膠科學(xué)也早已有著長(zhǎng)足的進(jìn)步。

    比如，近幾年來(lái)比較火爆的“可塑交聯(lián)體”概念與水凝膠結(jié)合，得到的水凝膠就有很多新穎的性質(zhì)，如剪切變稀、自修復(fù)等功能，這些功能來(lái)自于分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)并充分利用了超分子化學(xué)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(fù)雜，成本極高，無(wú)法在工業(yè)上規(guī)?；a(chǎn)。

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

    科學(xué)設(shè)計(jì)

    研究者使用的原料為纖維素與硅膠納米顆粒。纖維素來(lái)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(xì)化學(xué)品。這就保證了材料生產(chǎn)成本低廉。二者在水溶液中混合會(huì)在自組裝作用下形成凝膠三維網(wǎng)絡(luò)，由于這種自組裝作用并不依賴于化學(xué)交聯(lián)，因此有著“剪切變稀”與“自修復(fù)”的效應(yīng)。即在應(yīng)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(yīng)力，宏觀上凝膠則獲得了流動(dòng)效應(yīng)，因此會(huì)“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(luò)，因此有著“自修復(fù)”的作用。值得一提的是，該材料在擴(kuò)大規(guī)模生產(chǎn)后，力學(xué)性能指標(biāo)并沒(méi)有發(fā)生顯著改變。

    ▲ 該水凝膠的機(jī)理（上）；水凝膠可以從0.5ML的實(shí)驗(yàn)室級(jí)別生產(chǎn)到15L的擴(kuò)大規(guī)模生產(chǎn)（下）

    為了使得材料有著可以調(diào)節(jié)的性質(zhì)，以滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景需要，研究者進(jìn)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(duì)產(chǎn)品性能力學(xué)性能有著影響。

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

    新材料，新應(yīng)用

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

    “大”體現(xiàn)在應(yīng)用場(chǎng)景非常大。

    “星星之火，可以燎原”，毛主席用他的革命經(jīng)驗(yàn)告訴我們，對(duì)于野外火災(zāi)，沒(méi)有一款有效的滅火劑是多么的糟糕。而這個(gè)問(wèn)題直到現(xiàn)在也沒(méi)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(chǎng)的空中播撒，缺點(diǎn)是顆粒太小容易隨著橫風(fēng)擴(kuò)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(shí)間也更長(zhǎng)，因此更有利于野外火場(chǎng)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(chǎng)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(duì)比。

    此外，考慮到這種水凝膠具有良好的流動(dòng)性，且無(wú)毒無(wú)害無(wú)氣味，研究者還將其開(kāi)發(fā)為食品工業(yè)的管道清洗劑，也收獲了不錯(cuò)的效果。

    ▲ 將該水凝膠材料作為食品生產(chǎn)線管道的清洗劑，不會(huì)給食品帶來(lái)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(xiàng)研究利用最前沿的超分子化學(xué)進(jìn)行材料分子設(shè)計(jì)，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出真正有工業(yè)需求并有著規(guī)?；a(chǎn)前景的產(chǎn)品，并且跳出了常規(guī)水凝膠研究的套路，將學(xué)術(shù)前沿與工業(yè)需要進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，的確是一篇有著重要科學(xué)意義的研究！

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責(zé)任編輯：王元

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