科技資訊寫作大賽｜中國科學院理化技術研究所新型界面聚合制備水凝膠/油凝膠Janus聚合物膜

材料人首屆科技資訊寫作大賽自5月13日發布征稿通知以來（參賽詳情請戳我），受到讀者們的廣泛關注。本文由中國科學院理化技術研究所王樹濤研究團隊張飛龍博士投稿。

王樹濤研究員個人主頁：http://sourcedb.ipc.cas.cn/cn/lhsrck/201409/t20140917_4206387.html

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張飛龍博士個人主頁： ? http://www.feilongzhang.icoc.me/

【背景介紹】

形狀轉變材料可以用作驅動器，人造肌肉，傳感器等受到人們廣泛關注。其中，雙層膜材料是大家最為關注的一種材料構筑方式。其形狀轉變來源于兩側材料對外界刺激產生不同體積變化所造成的內應力。因此，想要達到大幅度的形狀轉變就需要兩側材料具有大的物理化學性質差異，但這又將造成材料界面結合強度弱，容易造成剝離。因此，如何解決此矛盾，實現性質差異大的材料的高強度結合一直困擾著大家。

【成果簡介】

近日，中國科學院理化技術研究所王樹濤研究團隊，提出新的界面聚合方法，實現了水凝膠和油凝膠的共價連接。相關研究以題為“A monolithic hydro/organo macro copolymer actuator synthesized via interfacial copolymerization.”的研究論文發表在NPG Asia Materials (2017, 9, e380, DOI:10.1038/am.2017.61)上，為這一矛盾提供了解決方案。第一作者是中國科學院化學研究所博士生張飛龍。

與傳統的界面縮合聚合不同，文中報道的界面聚合是利用在油相單體和水相單體的界面處的擴散層，當聚合反應開始時，界面處發生油相單體和水相單體的共聚，形成過渡層，共價連接油凝膠和水凝膠，制備出水凝膠/油凝膠Janus膜。利用膜兩側水凝膠和油凝膠的性質差異，實現了膜的彎曲方向和彎曲程度的可控調節，并以此制備出簡易的液體泄漏報警裝置。這種新的界面聚合方法適用于多數不互溶乙烯基單體分子體系，為新型功能聚合物的設計和制備提供了新思路。

【圖文導讀】

圖一 ?可形狀轉變的水凝膠/油凝膠Janus膜的設計制備

（a）界面共聚制備PAA-B-PBMA（聚丙烯酸-B-聚甲基丙烯胺正丁酯）Janus膜的合成示意圖；

（b）Janus膜兩側表現出不同的親疏水性；

（c）在膜兩側水凝膠和油凝膠的協同作用下，Janus膜可以實現彎曲方向的調控。

合成原理：油和水接觸時，會發生雙向擴散，形成界面過度層。當發生聚合時，界面層起到連接油凝膠和水凝膠的作用，從而合成出一體化的水凝膠/油凝膠Janus聚合物膜。

彎曲原理：在溶液中，Janus膜兩側表現出不同的溶脹性質，產成內應力，從而差生形變以較小應力差。在水溶液中，水凝膠溶脹，Janus膜向油凝膠側彎曲；在油相溶劑中，油凝膠溶脹，Janus膜向水凝膠側彎曲。

圖二 ?可形狀轉變的水凝膠/油凝膠Janus膜的組分和完整性表征

（a）以NaOH為顯示劑增大水凝膠和油凝膠的元素組成差異；

（b,c）Janus膜兩側的元素組成；

（d）Janus膜截面Na元素的分布；

（e）Janus膜界面形貌（SEM）。

用NaOH處理，可將水凝膠中-COOH轉變成-COONa。因此，Na元素的分布即可反應水凝膠單體的分布。即，Janus膜的組成逐漸從油凝膠轉變為水凝膠，且存在過渡層（圖b-d）。

SEM圖顯示出，油凝膠和水凝膠被連接在一起，中間沒有裂紋，說明該Janus膜是一個整體。

圖三 ?可形狀轉變的水凝膠/油凝膠Janus膜在水溶液中的彎曲行為

（a）Janus膜在水溶液中的彎曲的示意圖；

（b）Janus膜在水溶液中的彎曲程度隨時間的變化；

（c）Janus膜在水溶液中的彎曲程度與膜厚的關系；

（d）Janus膜在水溶液中的彎曲程度隨溶液pH增加而增大；

（e）在鹽溶液中，彎曲的Janus膜隨鹽濃度增加而逐漸伸直；

（f）將Janus膜制成花狀，可以實現花的張開和閉合。

圖四 ?可形狀轉變的水凝膠/油凝膠Janus膜在油相溶劑中的彎曲行為

（a）Janus膜在油相溶劑中的彎曲的示意圖；

（b）單純水凝膠和油凝膠在油相溶劑中的溶脹行為；

（c）Janus膜在甲苯中的彎曲程度隨時間的變化；

（d,e）Janus膜在丙酮水溶液中隨丙酮含量變化的彎曲行為；

（f）Janus膜在分層油水體系中的彎曲行為。

在油相溶劑中油凝膠溶脹，造成Janus膜向水凝膠側彎曲。

在丙酮水溶液中，Janus膜表現出先想油凝膠側彎曲，再伸直，然后再向水凝膠側彎曲。這主要是由于PAA水凝膠隨丙酮含量增加先溶脹后收縮，而PBMA油凝膠逐漸溶脹，造成兩者溶脹系數差值先增大，再減小，然后變為負值（反向）。

圖五 ?可形狀轉變的水凝膠/油凝膠Janus膜作為敏感元件實現對溶劑泄露的報警功能

（a-c）溶劑泄露報警裝置的電路圖及工作原理；

（d）油泄露時的演示圖；

（e）水泄露時的演示圖。

報警原理：以Janus膜為敏感元件，當不同溶劑泄漏時，造成膜彎曲，連通不同電路，點亮不同顯示燈，做出報警。

【總結】

本文提出了一種新型的界面聚合方法，實現了油凝膠和水凝膠的共價無縫連接。制備出來的水凝膠/油凝膠Janus膜表現出優異的形狀轉變功能，可以實現單向彎曲，雙向彎曲等功能。這種界面聚合方法適用于多數不互溶的乙烯基單體體系，為新型功能聚合物的設計制備提供了新的思路和方法。

文章鏈接：Feilong Zhang, Junbing Fan, Pengchao Zhang, Mingjie Liu, Jingxin Meng, Lei Jiang & Shutao Wang*. A monolithic hydro/organo macro copolymer actuator synthesized via interfacial copolymerization. NPG Asia Mater. 9, e380, (2017), DOI:10.1038/am.2017.61.

材料牛編輯Andy編輯整理。