科技资讯写作大赛｜中国科学院理化技术研究所新型界面聚合制备水凝胶/油凝胶Janus聚合物膜

材料人首届科技资讯写作大赛自5月13日发布征稿通知以来（参赛详情请戳我），受到读者们的广泛关注。本文由中国科学院理化技术研究所王树涛研究团队张飞龙博士投稿。

王树涛研究员个人主页：http://sourcedb.ipc.cas.cn/cn/lhsrck/201409/t20140917_4206387.html

                                   http://ewormhole.com/lab/detail/1392

张飞龙博士个人主页：   http://www.feilongzhang.icoc.me/

【背景介绍】

形状转变材料可以用作驱动器，人造肌肉，传感器等受到人们广泛关注。其中，双层膜材料是大家最为关注的一种材料构筑方式。其形状转变来源于两侧材料对外界刺激产生不同体积变化所造成的内应力。因此，想要达到大幅度的形状转变就需要两侧材料具有大的物理化学性质差异，但这又将造成材料界面结合强度弱，容易造成剥离。因此，如何解决此矛盾，实现性质差异大的材料的高强度结合一直困扰着大家。

【成果简介】

近日，中国科学院理化技术研究所王树涛研究团队，提出新的界面聚合方法，实现了水凝胶和油凝胶的共价连接。相关研究以题为“A monolithic hydro/organo macro copolymer actuator synthesized via interfacial copolymerization.”的研究论文发表在NPG Asia Materials (2017, 9, e380, DOI:10.1038/am.2017.61)上，为这一矛盾提供了解决方案。第一作者是中国科学院化学研究所博士生张飞龙。

与传统的界面缩合聚合不同，文中报道的界面聚合是利用在油相单体和水相单体的界面处的扩散层，当聚合反应开始时，界面处发生油相单体和水相单体的共聚，形成过渡层，共价连接油凝胶和水凝胶，制备出水凝胶/油凝胶Janus膜。利用膜两侧水凝胶和油凝胶的性质差异，实现了膜的弯曲方向和弯曲程度的可控调节，并以此制备出简易的液体泄漏报警装置。这种新的界面聚合方法适用于多数不互溶乙烯基单体分子体系，为新型功能聚合物的设计和制备提供了新思路。

【图文导读】

图一  可形状转变的水凝胶/油凝胶Janus膜的设计制备

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

（b）Janus膜两侧表现出不同的亲疏水性；

（c）在膜两侧水凝胶和油凝胶的协同作用下，Janus膜可以实现弯曲方向的调控。

合成原理：油和水接触时，会发生双向扩散，形成界面过度层。当发生聚合时，界面层起到连接油凝胶和水凝胶的作用，从而合成出一体化的水凝胶/油凝胶Janus聚合物膜。

弯曲原理：在溶液中，Janus膜两侧表现出不同的溶胀性质，产成内应力，从而差生形变以较小应力差。在水溶液中，水凝胶溶胀，Janus膜向油凝胶侧弯曲；在油相溶剂中，油凝胶溶胀，Janus膜向水凝胶侧弯曲。

图二  可形状转变的水凝胶/油凝胶Janus膜的组分和完整性表征

（a）以NaOH为显示剂增大水凝胶和油凝胶的元素组成差异；

（b,c）Janus膜两侧的元素组成；

（d）Janus膜截面Na元素的分布；

（e）Janus膜界面形貌（SEM）。

用NaOH处理，可将水凝胶中-COOH转变成-COONa。因此，Na元素的分布即可反应水凝胶单体的分布。即，Janus膜的组成逐渐从油凝胶转变为水凝胶，且存在过渡层（图b-d）。

SEM图显示出，油凝胶和水凝胶被连接在一起，中间没有裂纹，说明该Janus膜是一个整体。

图三  可形状转变的水凝胶/油凝胶Janus膜在水溶液中的弯曲行为

（a）Janus膜在水溶液中的弯曲的示意图；

（b）Janus膜在水溶液中的弯曲程度随时间的变化；

（c）Janus膜在水溶液中的弯曲程度与膜厚的关系；

（d）Janus膜在水溶液中的弯曲程度随溶液pH增加而增大；

（e）在盐溶液中，弯曲的Janus膜随盐浓度增加而逐渐伸直；

（f）将Janus膜制成花状，可以实现花的张开和闭合。

图四  可形状转变的水凝胶/油凝胶Janus膜在油相溶剂中的弯曲行为

（a）Janus膜在油相溶剂中的弯曲的示意图；

（b）单纯水凝胶和油凝胶在油相溶剂中的溶胀行为；

（c）Janus膜在甲苯中的弯曲程度随时间的变化；

（d,e）Janus膜在丙酮水溶液中随丙酮含量变化的弯曲行为；

（f）Janus膜在分层油水体系中的弯曲行为。

在油相溶剂中油凝胶溶胀，造成Janus膜向水凝胶侧弯曲。

在丙酮水溶液中，Janus膜表现出先想油凝胶侧弯曲，再伸直，然后再向水凝胶侧弯曲。这主要是由于PAA水凝胶随丙酮含量增加先溶胀后收缩，而PBMA油凝胶逐渐溶胀，造成两者溶胀系数差值先增大，再减小，然后变为负值（反向）。

图五  可形状转变的水凝胶/油凝胶Janus膜作为敏感元件实现对溶剂泄露的报警功能

（a-c）溶剂泄露报警装置的电路图及工作原理；

（d）油泄露时的演示图；

（e）水泄露时的演示图。

报警原理：以Janus膜为敏感元件，当不同溶剂泄漏时，造成膜弯曲，连通不同电路，点亮不同显示灯，做出报警。

【总结】

本文提出了一种新型的界面聚合方法，实现了油凝胶和水凝胶的共价无缝连接。制备出来的水凝胶/油凝胶Janus膜表现出优异的形状转变功能，可以实现单向弯曲，双向弯曲等功能。这种界面聚合方法适用于多数不互溶的乙烯基单体体系，为新型功能聚合物的设计制备提供了新的思路和方法。

文章链接：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.

材料牛编辑Andy编辑整理。