鎖志剛、江雷、王中林、陳學思、趙選賀、龔劍萍、余桂華、劉明杰、趙遠錦等水凝膠科研進展

1、 Materials Today：可拉伸且抗疲勞的材料

美國哈佛大學鎖志剛院士團隊將一種柔軟且可拉伸的材料的單向纖維嵌入到一種柔軟得多且具有更大拉伸性的材料的基質中，并通過稀疏和共價的互連將纖維和基質粘合在一起。當復合材料被切割開裂并承受載荷時，軟質基體容易剪切并在較長的段上使纖維的高拉伸度離域。達到1290 J / m2的閾值，在該閾值以下，復合材料不會遭受任何破壞（纖維斷裂，扭結裂紋或基體斷裂）。可拉伸和耐疲勞材料的原理適用于各種材料，布局和制造方法，為一般應用打開了巨大的設計空間。研究人員認為這種方法具有廣泛的適用性，為高性能凝膠材料的開發打開了一扇大門。

文獻鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702119307606

2、Nature Commun：三維水凝膠界面膜來實現滲透能的高效轉化

中科院理化所江雷院士和聞利平研究員等人通過將帶電荷的聚電解質水凝膠涂覆到ANF膜上制備的新設計的異質膜中觀察到了高性能的滲透能轉換。由于固有的多級不對稱性，混合膜表現出電荷控制的不對稱離子傳輸行為，可以大大減少離子極化現象。而且，具有廣闊帶電荷3D網絡的聚電解質凝膠可以充當離子擴散促進劑，從而大大提高界面傳輸效率。這樣的膜設計大大促進了跨膜離子的擴散，有助于實現5.06 W m^-2的高功率密度，這是基于納米流體膜的滲透能轉換的最高值。此外，聚電解質水凝膠膜功能的良好可調性可系統地理解可控離子擴散機理及其對整體膜性能的影響。這項工作突出了界面設計在基于納米流體膜的滲透能轉換系統的構建中的重要性，證明了聚電解質凝膠作為高性能界面材料在非均相滲透發電領域的巨大前景。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-14674-6?

3、AFM：基于無溶劑離子導電彈性體電極的可拉伸、透明和熱穩定的摩擦電納米發電機

中國科學院北京納米能源與系統研究所的王中林院士、蒲雄研究員等研究人員報告了一種離子摩擦電納米發電機（iTENG），該技術通過使用介電彈性體作為帶電層和離子導電彈性體作為電極，能夠實現生物機械能的收集和觸摸感應。同時實現了超高拉伸性和高透明性。像皮膚一樣柔軟的納米發電機能夠輸出高達95 V的開路電壓和55.9 mW m^-2的瞬時面積功率密度。更重要的是，消除了先前報道的水凝膠的脫水限制。ICE直到335°C都是熱穩定的，基于ICE的iTENG（ICE-iTENG）即使在100°C下保持15 h也不會表現出輸出性能下降。此外，基于ICE-iTENG的傳感器具有三角形金字塔表面作為帶電層，可以感應低至0.4 kPa的壓力。該研究提出了一種可超級伸展，生物相容，透明且對環境穩定的能量收集器和觸摸傳感器，表明即使在相對較高的溫度下，它們也可能應用在智能人造皮膚，軟機器人，功能顯示器和可穿戴電子產品。

文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.2019092524

4、NSR：通過鄰苯二甲醛縮合的快速通用的交聯策略，用于機械增強的功能性水凝膠

中國科學院長春應用化學所院士陳學思院士團隊報告了一種新的方法，可通過OPA與N-親核試劑之間的反應異常快速地形成水凝膠。研究人員首先通過使用兩種類型的四臂聚乙二醇（4aPEG）作為結構單元來證明水凝膠的形成，一種用OPA封端，另一種用N-親核試劑封端。研究人員進行了小分子模型反應，以闡明快速的交聯機理和反應動力學。此外，研究人員還開發了高效，通用的OPA化學試劑，可從天然多糖，蛋白質或合成聚合物中構建出多種水凝膠，并將生物活性肽整合到水凝膠中。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa128

5、Nature Commun.:?水凝膠的抗疲勞粘附

美國麻省理工學院趙選賀和華中科技大學臧劍鋒教授等人提出了一種生物啟發性的策略，通過將有序的納米結構（例如，納米晶域）錨定在工程材料上來實現合成水凝膠的抗疲勞粘合，因為與相應的無定形聚合物鏈相比，有序的納米結構對疲勞裂紋的傳播需要更高的能量。研究人員選擇聚乙烯醇（PVA）水凝膠作為模型材料系統，該系統可以輕松形成具有可調節結晶度的納米結構（例如納米晶體域和納米原纖維）。通過干退火處理將納米晶域固定在固體基質上，使水凝膠與基質之間具有顯著的抗疲勞粘合性，界面疲勞閾值為800 J m^-2。耐疲勞的水凝膠附著力有可能實現多種應用，例如在由各種材料制成，具有各種尺寸和形狀的設備上的堅固的水凝膠涂層。特別是，研究人員證明了抗疲勞水凝膠涂層對天然軟骨表現出低摩擦和低磨損。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-14871-3

6、PNAS:?自修復水凝膠中的多尺度結構延遲疲勞斷裂

日本北海道大學龔劍萍教授團隊發現由于具有多模疲勞行為，具有分層結構的自愈PA水凝膠表現出較高的抗疲勞性。10納米尺度的聚合物網絡結構決定了裂紋擴展開始時的疲勞閾值G0，而100納米尺度的相網絡（以1納米尺度的離子鍵作為構建基塊）則減緩了疲勞裂紋的發展直到達到過渡Gtran為止。在與硬相網絡破裂直接相關的Gtran之上，出現了疲勞裂紋的快速增長。結構在不同長度尺度上的協同作用導致了較高的抗疲勞性。由于G0和Gtranare分別與一次網絡和硬相網絡破裂時的能量釋放速率有關，因此增加這些網絡在不同長度尺度下的網絡密度和破裂伸長率應會提高材料的抗疲勞性。此外，增加層次數會導致具有高值的高階G躍遷。這種基于層次結構的抗疲勞機制，不僅為理解具有復雜層次結構的生物組織的抗疲勞行為提供了重要提示，而且還通過使用非共價鍵作為構建基塊形成了多尺度網絡結構，為強韌和抗疲勞的水凝膠提供了設計策略。

文獻鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2020/03/23/2000189117

7、Chem. Rev.: 水凝膠及其衍生材料在能源和水可持續性領域的應用

美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授等人綜述了水凝膠和水凝膠衍生材料在能源和水可持續性應用等領域的應用研究進展。從凝膠化學開始，包括水凝膠的基本定義，一般分類和結構，研究人員首先總結與能量和水技術特別相關的水凝膠的合成途徑和理化性質。這篇綜述的范圍涵蓋了構建模塊，交聯方法和功能性添加劑，可以在水凝膠的制備過程中對其進行調整，以實現所需的離子/電子傳導性，機械性能，刺激響應性和溶脹行為。水凝膠的穩定3D框架也使其成為理想的前體和模板，以衍生出先進的功能材料。然后，研究人員介紹了如何將基于水凝膠的材料集成到電池，超級電容器，電催化劑以及集水器和凈化器中以改善其性能和穩定性的最新進展。最后，研究人員以剩余挑戰和潛在機會的觀點作為結束，在這些觀點中，膠凝化學賦予的水凝膠合理而智能的設計表明了可持續能源-水-環境聯系中不斷增長的潛力。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00345

8、Nature：通過剪切流誘導的納米片排列的層狀納米復合材料

北京航空航天大學劉明杰教授等人報道了一種在水凝膠/油界面利用剪切-流變誘導排列二維納米片生產高度有序層狀結構的方法。研究人員利用這一策略可制備基于氧化石墨烯和粘土納米片的納米復合材料，其抗張強度（tensile strength）和楊氏系數（Young’s modulus）分別可以達到1215 ± 80MPa和198.8 ± 6.5GPa。特別是基于粘土納米片的納米復合材料，還展現出高達36.7 ± 3.0兆焦耳每立方米的韌性強度，這一強度數值比天然珍珠高20.4倍。研究人員通過定量分析還發現，排列有序的納米片能夠形成界面相，最終導致納米復合材料展現出優異的力學強度。這項研究為高性能層狀復合材料的規模化普適性生產提供了全新的思路，有利于高性能復合材料的發展。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2161-8

9、PNAS：基于復合導電纖維素水凝膠的多功能電子皮膚

南京大學鼓樓醫院趙遠錦教授團隊提出了一種基于羥丙基纖維素復合水凝膠的電子皮膚（E-皮膚），其具有穩定的膽甾型液晶結構和明亮的結構顏色。由于利用了具有多種響應能力的復合水凝膠作為主要構成要素，因此，該電子皮膚可以響應壓力，張力和溫度，并通過內部結構變化引起的顏色遷移對這些外部刺激進行光學感應。研究人員通過添加碳納米管，復合水凝膠可以同時將這些刺激物作為電信號輸出。由于這種雙重刺激機制，電子皮膚在醫療保健和可變設備方面具有很大的研究價值。

文獻鏈接：https://www.pnas.org/content/117/31/18310

本文由eric供稿。

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