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  水凝膠是一種結(jié)構(gòu)非常獨(dú)特的材料，擁有特定的形狀和一定的彈性，具有明顯的固體性質(zhì)；但材料內(nèi)部卻含有大量的水，含水量最高可以達(dá)到90%以上。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生物細(xì)胞非常相近，因此水凝膠多年來一直吸引著大量研究人員的關(guān)注。然而，事物通常具有兩面性，高水含量有益于水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，同時(shí)也限制了它在低溫條件下的使用，因?yàn)樗z在零度以下會(huì)凍結(jié)，進(jìn)而失去其優(yōu)異的性能，包括電導(dǎo)率、透明度、柔韌性等，這一缺點(diǎn)阻止了水凝膠在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用，比如用于柔性電子產(chǎn)品和傳感器。因此，設(shè)計(jì)防凍水凝膠有助于拓展水凝膠的應(yīng)用范圍。自然界中有很多動(dòng)物，盡管它們體內(nèi)含有大量的體液，但仍然可以在極寒條件下活動(dòng)或生存。這種耐低溫的能力通常來自于動(dòng)物體內(nèi)分泌的“防凍劑”。向自然界學(xué)習(xí)，制備防凍水凝膠材料及器件，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。

  中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所陳濤研究員、張佳瑋研究員和深圳大學(xué)周學(xué)昌教授基于其長期在防凍水凝膠方面的研究基礎(chǔ)，近期在Materials Horizons上發(fā)表了題為“Biomimetic anti-freezing polymeric hydrogels: keeping soft-wet materials active in cold environment”的綜述（10.1039/D0MH01029D）。

防凍水凝膠的一般合成策略和主要應(yīng)用領(lǐng)域

  根據(jù)先前的理論研究，水凝膠中的水分子存在三種不同的狀態(tài)：能夠自由移動(dòng)的“自由水”、與高分子網(wǎng)絡(luò)有較弱作用力的“弱結(jié)合水”和與高分子網(wǎng)絡(luò)有較強(qiáng)作用力的“強(qiáng)結(jié)合水”。這三種不同狀態(tài)的水分子具有完全不同的凍結(jié)溫度，其中“自由水”含量最高，也最容易結(jié)冰；而“強(qiáng)結(jié)合水”則具有非常低的凝固點(diǎn)。這為制備耐低溫的水凝膠提供了理論指導(dǎo)：改變“自由水”的成份來降低其凝固點(diǎn)，或調(diào)節(jié)水與高分子網(wǎng)絡(luò)的相互作用來降低“自由水”的比例。基于改變“自由水”的成份，可以在溶劑中添加可溶性的鹽或醇類，或者直接將水替換為醇或離子液體；基于調(diào)節(jié)水與高分子網(wǎng)絡(luò)的相互作用，可以通過設(shè)計(jì)功能單體，引入更多與水有強(qiáng)相互作用的基團(tuán)。

  雖然不同的制備方法都可以得到耐低溫的水凝膠，但不同的制備方法具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)：鹽的添加能給水凝膠帶來良好的導(dǎo)電性，但在干燥條件下水分會(huì)蒸發(fā)，影響水凝膠性能的穩(wěn)定性。醇或離子液體的置換可以大幅提高水凝膠的抗蒸發(fā)性能，但是這些溶劑容易泄漏，且通常具有一定的毒性，因此不能用于直接與生物體或水體環(huán)境接觸的場景中。對高分子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改性可以克服耐低溫功能組分容易流失的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)水凝膠材料長期穩(wěn)定的應(yīng)用，但這種方法的防凍能力通常不會(huì)很強(qiáng)。盡管已經(jīng)有一些耐低溫水凝膠的報(bào)道，但目前防凍水凝膠的設(shè)計(jì)制備仍相對簡單，研究人員應(yīng)更加致力于研究防凍水凝膠的機(jī)理和新的合成策略。

  現(xiàn)有的一些研究工作將耐低溫水凝膠用于仿生致動(dòng)器和軟體機(jī)器人、物理或化學(xué)傳感器、電池或電解質(zhì)等領(lǐng)域，需要注意的是，這些水凝膠基器件的功能可能會(huì)受到新加入耐低溫功能組分的影響，因此設(shè)計(jì)器件時(shí)需要選用合適的方法，在實(shí)現(xiàn)防凍的同時(shí)避免對原有功能的影響。此外，目前的防凍水凝膠體系功能還比較單一，通常只能實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)功能，例如刺激響應(yīng)致動(dòng)或?qū)C(jī)械變形的感應(yīng)等，研究人員設(shè)想未來防凍水凝膠能夠變得更加智能，在各個(gè)領(lǐng)域得到出色應(yīng)用。

  這項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金、中科院青促會(huì)、深圳市科技基金、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目和王寬誠教育基金會(huì)等項(xiàng)目的支持。

  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/mh/d0mh01029d#!divAbstract