北航劉明杰教授&劉克松教授AM：擴散-冷凍誘導的微相分離用于大面積制備具有多尺度結構的水凝膠表面

【引言】

大多數生物組織的表面都存在著凝膠層，尤其是其表面的微/納米結構在它們的生命活動中起到了重要作用。例如，鯉魚和海藻由于其表面存在著微/納米結構的水凝膠材料，因而可以保持自己良好的水下超疏油防污染特性。受天然生物材料的啟發，構建水凝膠基材料的結構化功能表面已成為研究人員滿足新型功能材料日益增長的需求的最有前途的解決方案之一。目前的制備策略主要集中在表面化學改性、模板復制、光刻法、激光掃描和3D打印。然而，這些方法由于制造工藝復雜，模板制作的特殊性，嚴重的限制了水凝膠表面結構的大面積制備和實際應用。

【成果簡介】

北京航空航天大學的劉明杰教授和劉克松教授（共同通訊作者）報道了在凝膠形成過程中直接在相容性聚合物擴散層中構建微納米結構水凝膠表面的一般策略，其依賴于聚合物鏈擴散和隨后的冷凍誘導凝膠化和微相分離的相互作用。所提出的方法利用兩個可混溶聚合物的界面，其中一個需要進行凝膠化過程。這一策略是通過兩個連續的過程來實現的，即擴散驅動混合過程，然后是冷凍誘導凝膠化和微相分離的過程。前者形成擴散層，而后者在擴散層中產生結構。凝膠化與微相分離結合，最終決定了凝膠表面上的微/納米結構。同時，水凝膠表面的梯度結構和圖案的表面結構可通過控制凝膠化溫度和擴散區域來控制。相關成果以Diffusion–Freezing‐Induced Microphase Separation for Constructing Large‐Area Multiscale Structures on Hydrogel Surfaces為題發表在國際著名期刊Adv. Mater.?上。

【圖文導讀】

圖1.聚乙烯醇（PVA）水凝膠的制備和結構表征

a.N-甲基吡咯烷酮（NMP）、聚乙烯醇（PVA）、聚苯乙烯（PS）和交聯點的結構及其相應的示意圖。

b.多尺度結構的凝膠表面的制備過程和機理。

c.25 cm × 25 cm的多尺度結構的水凝膠表面的照片和相應的SEM圖。

圖2.通過調整凝膠化過程的溫度和擴散時間控制水凝膠表面的結構

a.由溫度控制的PVA水凝膠表面結構的演變。PVA水凝膠表面的SEM圖（上）和三維光學顯微鏡圖像（中）：A) ?20 °C, B) ?10 °C, C) 0 °C。下面為3D顯微鏡圖片中黑色線所對應的截面的高度變化曲線

b.由擴散時間控制的PVA水凝膠表面結構的演變。PVA水凝膠表面的SEM圖（上）和三維光學顯微鏡圖像（中）：D) 0 s, E) 120 s,? F) 240 s。下面為3D顯微鏡圖片中黑色線所對應的截面的高度變化曲線

圖3.通過控制凝膠化過程的溫度梯度和擴散區域構筑多尺度結構的水凝膠表面

a.通過冷凍溫度的梯度制備多尺度結構的水凝膠表面的示意圖。

b.原位紅外熱成像監測溫度梯度的變化。

c.通過?20 ~ 0 °C的溫度梯度制備的水凝膠表面的照片。

d.圖b中相應區域的水凝膠表面SEM圖。

e.通過控制互相擴散的區域獲得具有所需圖案的水凝膠表面。

圖4.光滑的、多尺度結構表面的PVA水凝膠的液體輸送和保水的能力

a.不同液體分別在羅丹明B染過的水、香豆素6染過的DMF、Lumogen Red染過的n-十六烷中進行液體輸運的熒光照片。

b.脫水過程中的多尺度結構表面的、光滑的水凝膠的照片。

c.不同脫水時間光滑表面結構和多尺度表面結構水凝膠的質量變化曲線。

d.功能性水凝膠表面（C-MSH）的制備的示意圖。

e，f.脫水測試前后的光滑表面水凝膠（SSH）、多尺度結構的水凝膠（MSH）和功能化水凝膠（C-MSH）的照片。

【小結】

研究團隊利用簡單的策略構建大面積的多尺度結構的水凝膠表面。這種多尺度表面結構在空氣中具有親水性，在油中具有超疏油性，水下對油具有超低的粘接力。而且，他們還制備了具有梯度結構和圖案化的水凝膠表面。這些微米/納米結構表面能形成毛細管系統，使液體沿垂直方向進行輸送。這項研究也為大面積地制備多功能水凝膠表面結構提供了新的思路。

文獻鏈接：Diffusion–Freezing‐Induced Microphase Separation for Constructing Large‐Area Multiscale Structures on Hydrogel Surfaces（Adv. Mater.?,2019,DOI:10.1002/adma.201808217）

本文由kv1004供稿。