电子科技大学崔家喜团队AFM：可逆相变拓宽水凝胶的功能化应用

高分子凝胶在形状记忆、表面形貌复制、力学兼容的组织植入针、粘附剂等功能化应用中均涉及材料低模量软态的环境自适应形变和高模量硬态转变的力学重组过程。但无论是低模量软态凝胶、还是高模量硬态聚合物，在固定的环境条件下，材料通常表现出恒定的力学性能而无法自改变以优化材料的使用性能和拓宽材料的功能化应用范围。凝胶材料在环境自适应形变-力学重组方向（Conditions-Adaptive Deformation and Mechanics Reconfiguration, CADMR）的应用要求力学性能可在低模量与高模量之间转换。目前，环境改变（如温度、压力、电磁场等）、溶剂交换（干燥和溶胀）以及交联-降解是实现高分子材料力学性能软-硬转换的主要方式，但以上几种力学性能软-硬转换途径均存在一些不足，如环境改变途径需消耗大量的能量来获取材料的软态，且材料的模量变化有限；溶剂交换途径需要敞开的应用环境，且可能会造成材料的体积收缩、结构塌陷和内应力；交联和降解往往又是一次性的、高成本的和不可逆的。基于此，发展一种具有快速（秒时间尺度）、显著（模量变化超104倍）、可逆（力学软-硬转换可多次进行）和可控（非环境改变的被动响应调节）优点的固态高分子凝胶材料力学性能软-硬转换策略将进一步优化和拓宽水凝胶在CADMR方向的应用。

无机小分子和高分子链的结晶行为截然不同，小分子结晶一般是液-固的物质形态转变，具有结晶度高、结晶速度快的特点；而高分子链的结晶过程往往是固-固聚集态间的转变，具有结晶度较低（无规和有序分子链结构共存）、时间依赖性强的特征。据此，在前期研究工作的基础上，结合小分子的结晶特性与高分子网络框架，发展了具有固-固形态转变、快速、显著、可逆和可控特点的力学性能软-硬转换新策略。多种水合无机盐水溶液具有较大的过冷度，室温下过饱和水溶液中的无机盐分子处于亚稳定状态而不结晶析出。三水醋酸钠（CH3COONa·3H2O）、十水硫酸钠（Na2SO4·10H2O）、六水氯化钙（CaCl2·6H2O）等多种水合无机盐均可形成过饱和溶液，而这些亚稳态溶液一旦受到晶种的引发即会快速的发生结晶相变。本文结合高分子链网络框架与过饱和水合无机盐溶液来制备具有固体形态的、易形变的、亚稳定的和具有较高能势的软体凝胶；经晶种可控诱发的结晶相变过程使过饱和凝胶转换为结晶的、硬质的和具有低能势的复合材料（图1）。晶种的诱发类似材料结晶相变的钥匙，使材料在无需外界环境做出改变的条件下即可“点石成金”般自发实现材料力学性能的软-硬转换，进而拓宽水凝胶材料的功能化应用，包括形状记忆、精细表面形貌复制、快速模具制备、自支撑夹胶玻璃等（图2）。

图1. 基于结晶-熔溶可逆相变实现水凝胶的环境自适应-力学重组应用。

图2. 可逆相变PAM-SA-x水凝胶在形状记忆和精细表面形貌复制方向的应用展示。

该工作近期以电子科技大学崔家喜 教授和成都大学王清远 教授为通讯作者，成都大学高等研究院方远来 特聘研究员为第一作者发表于《Advanced Functional Materials》。

原文链接：

Y. Fang, Z. Bai, L. Yang, Q. Liu, W. Xu, J. Wei, K. Yang, Q. Wang*, J. Cui*, Reversible Phase Change-Induced Hardening and Softening for Conditions-Adaptive and Mechanics-Reconfigurable Applications. Adv. Funct. Mater. 2024, 2314353.

https://doi.org/10.1002/adfm.202314353

通讯作者简介：

崔家喜 教授

崔家喜，电子科技大学基础与前沿研究院教授，国家青年人才，四川省青年人才，成都市“蓉漂计划”特聘专家，四川省学术和技术带头人。2008 年博士毕业于北京大学，先后在北京大学、德国马普高分子所、哈佛大学、德国莱布尼茨新材料所等国内外知名高校或科研机构从事化学领域的研究工作。主要研究方向包括：仿生聚合物材料、聚合物涂层和界面、聚合物网络结构、水凝胶、自修复材料、生物医用材料等。在Nat. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、JACS、Angew. Chem. In. Ed.等国际著名期刊发表学术论文150余篇，引用5600多次；H指数41；i10指数86。编写英文专著（章节）2部。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！