锁志刚、江雷、王中林、陈学思、赵选贺、龚剑萍、余桂华、刘明杰、赵远锦等水凝胶科研进展

1、 Materials Today：可拉伸且抗疲劳的材料

美国哈佛大学锁志刚院士团队将一种柔软且可拉伸的材料的单向纤维嵌入到一种柔软得多且具有更大拉伸性的材料的基质中，并通过稀疏和共价的互连将纤维和基质粘合在一起。当复合材料被切割开裂并承受载荷时，软质基体容易剪切并在较长的段上使纤维的高拉伸度离域。达到1290 J / m2的阈值，在该阈值以下，复合材料不会遭受任何破坏（纤维断裂，扭结裂纹或基体断裂）。可拉伸和耐疲劳材料的原理适用于各种材料，布局和制造方法，为一般应用打开了巨大的设计空间。研究人员认为这种方法具有广泛的适用性，为高性能凝胶材料的开发打开了一扇大门。

文献链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702119307606

2、Nature Commun：三维水凝胶界面膜来实现渗透能的高效转化

中科院理化所江雷院士和闻利平研究员等人通过将带电荷的聚电解质水凝胶涂覆到ANF膜上制备的新设计的异质膜中观察到了高性能的渗透能转换。由于固有的多级不对称性，混合膜表现出电荷控制的不对称离子传输行为，可以大大减少离子极化现象。而且，具有广阔带电荷3D网络的聚电解质凝胶可以充当离子扩散促进剂，从而大大提高界面传输效率。这样的膜设计大大促进了跨膜离子的扩散，有助于实现5.06 W m^-2的高功率密度，这是基于纳米流体膜的渗透能转换的最高值。此外，聚电解质水凝胶膜功能的良好可调性可系统地理解可控离子扩散机理及其对整体膜性能的影响。这项工作突出了界面设计在基于纳米流体膜的渗透能转换系统的构建中的重要性，证明了聚电解质凝胶作为高性能界面材料在非均相渗透发电领域的巨大前景。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-14674-6 

3、AFM：基于无溶剂离子导电弹性体电极的可拉伸、透明和热稳定的摩擦电纳米发电机

中国科学院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士、蒲雄研究员等研究人员报告了一种离子摩擦电纳米发电机（iTENG），该技术通过使用介电弹性体作为带电层和离子导电弹性体作为电极，能够实现生物机械能的收集和触摸感应。同时实现了超高拉伸性和高透明性。像皮肤一样柔软的纳米发电机能够输出高达95 V的开路电压和55.9 mW m^-2的瞬时面积功率密度。更重要的是，消除了先前报道的水凝胶的脱水限制。ICE直到335°C都是热稳定的，基于ICE的iTENG（ICE-iTENG）即使在100°C下保持15 h也不会表现出输出性能下降。此外，基于ICE-iTENG的传感器具有三角形金字塔表面作为带电层，可以感应低至0.4 kPa的压力。该研究提出了一种可超级伸展，生物相容，透明且对环境稳定的能量收集器和触摸传感器，表明即使在相对较高的温度下，它们也可能应用在智能人造皮肤，软机器人，功能显示器和可穿戴电子产品。

文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.2019092524

4、NSR：通过邻苯二甲醛缩合的快速通用的交联策略，用于机械增强的功能性水凝胶

中国科学院长春应用化学所院士陈学思院士团队报告了一种新的方法，可通过OPA与N-亲核试剂之间的反应异常快速地形成水凝胶。研究人员首先通过使用两种类型的四臂聚乙二醇（4aPEG）作为结构单元来证明水凝胶的形成，一种用OPA封端，另一种用N-亲核试剂封端。研究人员进行了小分子模型反应，以阐明快速的交联机理和反应动力学。此外，研究人员还开发了高效，通用的OPA化学试剂，可从天然多糖，蛋白质或合成聚合物中构建出多种水凝胶，并将生物活性肽整合到水凝胶中。

文献链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa128

5、Nature Commun.: 水凝胶的抗疲劳粘附

美国麻省理工学院赵选贺和华中科技大学臧剑锋教授等人提出了一种生物启发性的策略，通过将有序的纳米结构（例如，纳米晶域）锚定在工程材料上来实现合成水凝胶的抗疲劳粘合，因为与相应的无定形聚合物链相比，有序的纳米结构对疲劳裂纹的传播需要更高的能量。研究人员选择聚乙烯醇（PVA）水凝胶作为模型材料系统，该系统可以轻松形成具有可调节结晶度的纳米结构（例如纳米晶体域和纳米原纤维）。通过干退火处理将纳米晶域固定在固体基质上，使水凝胶与基质之间具有显着的抗疲劳粘合性，界面疲劳阈值为800 J m^-2。耐疲劳的水凝胶附着力有可能实现多种应用，例如在由各种材料制成，具有各种尺寸和形状的设备上的坚固的水凝胶涂层。特别是，研究人员证明了抗疲劳水凝胶涂层对天然软骨表现出低摩擦和低磨损。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-14871-3

6、PNAS: 自修复水凝胶中的多尺度结构延迟疲劳断裂

日本北海道大学龚剑萍教授团队发现由于具有多模疲劳行为，具有分层结构的自愈PA水凝胶表现出较高的抗疲劳性。10纳米尺度的聚合物网络结构决定了裂纹扩展开始时的疲劳阈值G0，而100纳米尺度的相网络（以1纳米尺度的离子键作为构建基块）则减缓了疲劳裂纹的发展直到达到过渡Gtran为止。在与硬相网络破裂直接相关的Gtran之上，出现了疲劳裂纹的快速增长。结构在不同长度尺度上的协同作用导致了较高的抗疲劳性。由于G0和Gtranare分别与一次网络和硬相网络破裂时的能量释放速率有关，因此增加这些网络在不同长度尺度下的网络密度和破裂伸长率应会提高材料的抗疲劳性。此外，增加层次数会导致具有高值的高阶G跃迁。这种基于层次结构的抗疲劳机制，不仅为理解具有复杂层次结构的生物组织的抗疲劳行为提供了重要提示，而且还通过使用非共价键作为构建基块形成了多尺度网络结构，为强韧和抗疲劳的水凝胶提供了设计策略。

文献链接：https://www.pnas.org/content/early/2020/03/23/2000189117

7、Chem. Rev.: 水凝胶及其衍生材料在能源和水可持续性领域的应用

美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授等人综述了水凝胶和水凝胶衍生材料在能源和水可持续性应用等领域的应用研究进展。从凝胶化学开始，包括水凝胶的基本定义，一般分类和结构，研究人员首先总结与能量和水技术特别相关的水凝胶的合成途径和理化性质。这篇综述的范围涵盖了构建模块，交联方法和功能性添加剂，可以在水凝胶的制备过程中对其进行调整，以实现所需的离子/电子传导性，机械性能，刺激响应性和溶胀行为。水凝胶的稳定3D框架也使其成为理想的前体和模板，以衍生出先进的功能材料。然后，研究人员介绍了如何将基于水凝胶的材料集成到电池，超级电容器，电催化剂以及集水器和净化器中以改善其性能和稳定性的最新进展。最后，研究人员以剩余挑战和潜在机会的观点作为结束，在这些观点中，胶凝化学赋予的水凝胶合理而智能的设计表明了可持续能源-水-环境联系中不断增长的潜力。

文献链接：https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00345

8、Nature：通过剪切流诱导的纳米片排列的层状纳米复合材料

北京航空航天大学刘明杰教授等人报道了一种在水凝胶/油界面利用剪切-流变诱导排列二维纳米片生产高度有序层状结构的方法。研究人员利用这一策略可制备基于氧化石墨烯和粘土纳米片的纳米复合材料，其抗张强度（tensile strength）和杨氏系数（Young’s modulus）分别可以达到1215 ± 80MPa和198.8 ± 6.5GPa。特别是基于粘土纳米片的纳米复合材料，还展现出高达36.7 ± 3.0兆焦耳每立方米的韧性强度，这一强度数值比天然珍珠高20.4倍。研究人员通过定量分析还发现，排列有序的纳米片能够形成界面相，最终导致纳米复合材料展现出优异的力学强度。这项研究为高性能层状复合材料的规模化普适性生产提供了全新的思路，有利于高性能复合材料的发展。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2161-8

9、PNAS：基于复合导电纤维素水凝胶的多功能电子皮肤

南京大学鼓楼医院赵远锦教授团队提出了一种基于羟丙基纤维素复合水凝胶的电子皮肤（E-皮肤），其具有稳定的胆甾型液晶结构和明亮的结构颜色。由于利用了具有多种响应能力的复合水凝胶作为主要构成要素，因此，该电子皮肤可以响应压力，张力和温度，并通过内部结构变化引起的颜色迁移对这些外部刺激进行光学感应。研究人员通过添加碳纳米管，复合水凝胶可以同时将这些刺激物作为电信号输出。由于这种双重刺激机制，电子皮肤在医疗保健和可变设备方面具有很大的研究价值。

文献链接：https://www.pnas.org/content/117/31/18310

本文由eric供稿。

本内容为作者独立观点，不代表材料人网立场。

未经允许不得转载，授权事宜请联系kefu@cailiaoren.com。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaorenVIP。