西南交通大学周绍兵、谢辉《Mater. Horiz.》：一种由动态聚两性水凝胶衍生的盐触发多功能智能窗

近年来，在用于智能窗的材料中，水凝胶受到越来越多的关注。它可以动态调节透光率，以响应外部刺激，如温度、电流和湿度。通过这种调光过程，可以实现现代建筑节能和可持续发展的目标。然而，温湿度触发的水凝胶智能窗通常是被动控制的，不便于实现主动驱动；而电致变色的窗需要额外的能量输入。此外，现有水凝胶智能窗容易受到物理损坏，这可能会大大缩短其使用寿命。

西南交通大学周绍兵教授、谢辉副教授团队利用盐触发的聚两性水凝胶（PAH）开发了一种新型智能窗，可灵活地自驱动，且有自修复能力。PAH中的动态离子键可以在交替的氯化钠水溶液和水中可逆地解离和重组，有效地可逆调制透明度和透光率。PAH还可以通过精确的氯化钠水溶液局部处理实现图案形成，这对于一次性信息输入或存储非常有用。通过将PAH嵌入透明的水凝胶或将其粘贴在信息载体上，可以进一步实现信息加密；信息的可见性与PAH的透明度变化一致。此外，动态离子键可以使PAH衍生的水凝胶智能窗具有自修复功能，而不会牺牲光调制。该工作以题为“A Salt-Triggered Multifunctional Smart Window Derived from Dynamic Polyampholyte Hydrogel”发表在《Materials Horizons》上。

【PAH的制备与表征】

PAH由阳离子单体DMAEA-Q、阴离子单体NaSS和物理交联剂UM制备，带相反电荷的离子单体形成离子键，UM单元提供氢键。所制备的PAH在去离子水中浸泡后呈白色，经NaCl溶液处理后，很快从不透明变为透明。透明度的变化与变化的透光率是协同作用的，这是智能窗的核心。透明度变化所需的时间高度依赖于NaCl浓度；盐浓度越高，过渡时间越短。尽管离子键很容易离解并削弱PAH的凝胶网络，但其中的氢键将足够稳定，以在盐胁迫期间保持宏观形态。

图1：PAH的制备与表征

【PAH衍生的盐触发智能窗口】

研究了PAH对真实景观透射率的影响。将一片PAH放在试管中，在水/NaCl溶液处理期间，PAH的透明度发生变化，从而能够控制对物体的观察。组装好的窗户最初是白色的，光学不透明，当把NaCl溶液注入窗户时，PAH变得透明。重复用水替换NaCl溶液后，窗户再次变得不透明。这些过程可以重复进行、手动控制，可视为主动驱动。

图2：PAH衍生的盐触发智能窗口

【PAH的图案化和嵌入用于提供信息】

具有定制空心结构的硅胶垫圈紧密覆盖在PAH表面。然后，将NaCl溶液缓慢倒入空心区域，处理的区域观察到的相应图案变得透明，而屏蔽区域保持白色。这种简单的模式可以被视为在PAH衍生的智能窗口中实现一次性信息提供的策略。而通过将PAH嵌入固有透明的PEG水凝胶中，可以进一步实现信息加密：当浸入水时，PAH是白色可见的；在转移到NaCl溶液后，随着PAH变得透明，信息变得不可见；再次浸入水中时，PAH回到不透明状态，信息出现（解密）。

图3：PAH用于一次性信息提供

图4：PAH用于信息加密

【PAH作为粘合剂和自愈智能窗】

PAH本质上是一种超分子水凝胶，首先通过一系列涉及不同种类基板的实验证明了PAH的粘附能力。定性和定量测量表明，PAH在水和NaCl溶液中都能与这些基质紧密粘附，这表明PAH在循环水/NaCl溶液处理期间具有稳定的长期粘附性。切开的PAH在室温下短时间（5min内）接触即可愈合。愈合的PAH是可拉伸的，裂纹没有扩展，自愈前后的模量几乎相同。且自愈过程不影响PAH在水和NaCl溶液中的透明度变化，即智能窗的核心功能。

图5：PAH的粘附性与自愈合性能

【小结】

综上所述，该工作开发了一种新型的基于PAH的盐触发的多功能水凝胶智能窗。PAH的透明度变化与离子键的动力学特征相一致，离子键可以通过水和NaCl溶液处理进行调节；这一过程可以看作是一种主动、方便地调节透光率的过程。PAH具有一次性信息输入/存储能力，可以通过浸泡在NaCl溶液或水中来擦除信息。将PAH嵌入固有透明的PEG水凝胶中，进一步实现了信息加密。此外，PAH可以附着在各种基质上，且PAH中的动态离子键在不牺牲光调制的情况下为智能窗提供了自愈能力。该源自PAH的盐触发多功能水凝胶智能窗可以启发设计更智能的智能窗，以实现可持续发展的未来。

来源：高分子科学前沿

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