南华大学张也、姚陈等《AFM》：受和面启发的通用混合策略攻克多重刺激响应水凝胶大规模制备难题

在材料科学的广阔天地中，水凝胶作为一种能够响应多种外部刺激（如温度、光、磁场等）而促使自身发生形状或性质变化的软材料，正逐渐展现出其独特的魅力和广泛的应用前景。然而，传统水凝胶材料在响应速度、结构调控以及可回收性等方面仍存在诸多不足，限制了其在实际应用中的进一步拓展。近日，南华大学张也、姚陈等在《

Advanced Functional Materials

研究团队以N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）为单体，锂藻土纳米片作为多功能交联剂制备温敏纳米复合（NC）水凝胶。通过破碎、干燥、研磨和筛分四步物理处理，将纯化的NC水凝胶转化为凝胶粉末。定量添加溶胀剂（如水、氧化石墨烯或四氧化三铁悬浮液）后，凝胶粉末通过氢键作用迅速交联，形成目标水凝胶。该混合策略通过精准调控凝胶粉末与溶胀剂的组分比例及空间分布，成功构建具有异质多孔结构的水凝胶。所得材料可承受>400%的拉伸形变和53%的压缩应变（10次循环加载），在1032小时的浸泡实验中保持结构完整，展现出快速响应、优异恢复及抗疲劳特性。此外，基于混合策略的水凝胶具有可定制结构，可响应温度、近红外光及磁场等多种刺激，实现可控形变；凝胶粉末还可作为粘合剂与修复剂，有效连接不同水凝胶并修复损伤，显著延长器件寿命。该研究不仅证明了混合策略在凝胶结构设计与性能调控中的高度灵活性，还通过回收实验验证了凝胶粉末的循环利用潜力，为降低制备成本、减少环境污染及大规模可控制备多重刺激响应水凝胶提供了新途径。

和面过程启发的混合策略

研究团队首先制备了不同组成的纳米复合水凝胶，经纯化后，依次通过破碎、干燥、研磨和筛分四步物理加工步骤，成功将其转化为不同粒径分布的凝胶粉末（图1 A-G）。通过调整纯化水凝胶的化学组成，可精准调控凝胶粉末的微观形貌与孔隙结构（图1 H），充分验证了该策略对多种原料体系的广泛适用性。凝胶粉末在受限溶剂中快速溶胀，通过聚合物链的酰胺基团（-CONH(R)）与锂藻土纳米片（SiOH/Si-O-Si）的界面氢键交联形成机械稳定的水凝胶（图2 A-E）。同时，凝胶内部形成的异质多孔结构（图2 E-H）可促进水分子的快速输运与能量耗散，从而赋予材料优异的快速响应及恢复性能。

图1.NC9-P凝胶粉末的制备过程示意图（A-F）及其形貌表征（G），通过相同制备策略获得的其他组成与尺寸凝胶粉末的光学照片（H）。

图2.基于混合策略形成NC5[H]-R100水凝胶的制备流程与微观结构表征。

Movie展示凝胶的快速制备、响应及恢复

视频1

结构精准调控与性能协同优化

基于凝胶粉末与溶胀剂的混合策略，可实现水凝胶结构的多级精准调控（图3）：

（1）简单构型：通过一步混合单一或多种凝胶粉末与溶胀剂制备条状、片状及块状凝胶；

（2）复杂构型：通过多步顺序混合策略构建图案化片状、多层条状和异质块体；

（3）仿生结构：结合定制模具与氢键介导的收缩-溶胀行为，制备彩色柱体、类苹果及卡通仿生凝胶。

图3.混合策略制备的结构可控水凝胶。

目标水凝胶展现出优异力学稳定性：可承受超过%拉伸应变而不断裂（图4 A），并在数倍于自重的压缩应力下保持结构完整性（图4 C）；其在43天水浸泡实验中未发生崩解。与同组成光聚合凝胶相比，目标水凝胶因动态氢键网络，具备快速自恢复特性及卓越抗疲劳性能（图4 B-G），适用于软体机器人高频驱动场景。

图4.NC9[H]-R100与NC9-D水凝胶的力学性能对比。

应用多样化，回收更绿色

通过更换溶胀剂可以精准调控目标凝胶的刺激响应性。例如：NC5[F]-R100凝胶条在磁力搅拌作用下可实现快速旋转运动（视频2）；鱼形凝胶片（由紫色的NC3[H]-R100凝胶片和浅棕色的NC9[F]-R100凝胶片组成）能够实现热致变形与磁控运动（视频3）；五角星形凝胶片（由一片浅棕色的NC9[F]-R100凝胶和五片深棕色的NC5[G]-R100凝胶片组成）在近红外光照射下可执行有序的定向弯曲运动（视频4）。这些具有可控驱动行为的凝胶材料在靶向药物递送、软体驱动器和智能传感系统等领域展现出广阔应用前景。

Movie展示混合策略构建凝胶响应多重刺激

视频2

视频3

视频4

聚合物链-黏土纳米片的氢键交联作用使凝胶粉末兼具粘接修复与循环再生功能。例如：四根水凝胶条通过NC3-P200作用成功组装成圆盘形结构，在热刺激条件下拼接圆盘展现出协调收缩变形行为，且在循环拉伸和扭转载荷下仍保持结构完整性（图5）；经NC7-P200修复的受损NC9-D水凝胶可承受反复拉伸甚至扭转变形（图6）。实验数据表明，该类NCx-Py凝胶粉末既能连接离散水凝胶单元构建复杂结构，又可填充损伤区域使水凝胶恢复完整初始状态。值得注意的是，整个粘接和修复过程均在温和条件下完成，无需使用有害试剂或特殊设备，充分保证了操作便捷性与使用安全性。

图5.NC3-P200介导的水凝胶组装与性能验证。

图6.NC7-P200对NC9-D水凝胶的修复效果评估。

闭路循环实验证实材料可持续性：NC7-P100凝胶粉末经六次再生循环后（图7），所得NC7[H]n-R100水凝胶仍保持结构完整性（图7 A）、异质多孔特征（图7 C）及稳定热响应性（图7 B），证明凝胶粉末的迭代使用对所得水凝胶网络稳定性及刺激响应性影响甚微，为开发环境友好型智能材料提供了可持续解决方案。

图7.NC7-P凝胶粉末的可循环性验证及NC7[H]n-R100水凝胶温敏特性表征。

总结：本研究提出一种受和面启发的混合策略，通过调控凝胶粉末组成、溶胀剂分布及加工参数，实现智能水凝胶的快速规模化制备、结构及性能精准定制。所使用凝胶粉末可同时作为粘合剂（集成异质结构）与修复剂（动态氢键重组）。其闭路再生设计使材料可多次循环利用，显著降低资源消耗与环境负荷，为绿色智能材料开发提供新范式。

来源：高分子科学前沿

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