Nat. Commun. | 文献前沿 | 水凝胶纤维用于界面蒸发

【研究背景】

受天然结构材料启发，动态调控高分子聚合物的结构形成与转化对设计和开发高性能的软凝聚态体系具有十分重大的意义。然而，通过一种通用且可规模化制备的方式在合成软材料中设计类似高度有序的结构仍然存在巨大的挑战，且水凝胶网络中的水分扩散仍面临着与孔弹性行为相关的挑战。

厦门大学团队联合南洋理工大学团队制备种流体诱导方法对聚乙烯醇（PVA）水凝胶纤维进行取向调控和组装，并展现出强大的规模化工业前进。目前该文以“Bioinspired structural hydrogels with highly ordered hierarchical orientations by flow-induced alignment of nanofibrils”为题在《Nature Communications》（JCR一区，Top，IF2022=16.6）上发表。厦门大学物理科学与技术学院2020级博士研究生朱水洪为论文的第一作者，文章通讯作者为厦门大学林友辉教授和南洋理工大学Pooi See Lee教授。

【文章解读】

这项研究工作中仿生结构水凝胶的强度大幅度提高以及抗裂纹扩展性能主要来源于其内部的PVA纳米纤维的高度取向和结晶。受传统湿纺中高分子聚合物在剪切力和拉伸力作用下取向排列特性的启发，使用了经过短距离凝固浴的PVA水凝胶纤维直接收集组装成水凝胶的方法。为验证高分子链取向度变化，该文结合分子动力学模拟（MD）的方式对其进行理论验证。

图1. 流体诱导仿生PVA水凝胶制备及MD模拟

通过对水凝胶的微纳米结构和结晶度进行表征。广角X射线散射和小角X射线散射实验说明PVA水凝胶在微观上发生了取向，与冻融法和冷铸法的水凝胶相比，流体诱导水凝胶具有更高的取向度和结晶度。

图2. 水凝胶纤维取向结构的实验测试结果

由于其内部的介孔结构，各向异性的PVA水凝胶可利用毛细力实现快速单向水导水。聚合物网络本身的亲水性和水凝胶中特殊微通道结构的存在，PVA水凝胶纤维可以作为光热界面蒸发器处理污水，实验表明其对污水中的BOD5、COD和钡离子的净化率高达都接近100%。

图3. PVA水凝胶在自然光下的传质传热行为

【文章总结】

该文主要制备了流体诱导聚乙烯醇（PVA）水凝胶纤维，在大幅增加水凝胶体系的取向度的同时，增加了PVA的结晶度和抗裂纹扩展性能，且各向异性的PVA水凝胶可以实现快速的单向水传输过程，可应用于光热界面蒸发。重要的是，该文不仅提出一种可规模化制备的水凝胶纤维，优异的水管理能力为其作为界面蒸发材料提供基础。

【文献来源】

Zhu, S., Wang, S., Huang, Y.et al. Bioinspired structural hydrogels with highly ordered hierarchical orientations by flow-induced alignment of nanofibrils. Nat Commun 15, 118 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41467-023-44481-8

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