浙江大学徐志康/张超团队 Adv. Mater.: 新型光控热引发凝胶化策略

多功能水凝胶可控制备对其性能提升与广泛应用具有重要意义。传统热引发凝胶化反应缓慢，且反应空间不可控。相比之下，光引发凭借精度高、可控性强已成为光辅助打印领域主流技术。但该方法仍存在明显的应用限制，需要匹配特定的光引发剂和光源，目前尚未报道适用于广谱光的光引发剂。此外，现有光引发剂在含有光吸收特性的纳米材料如MXene、GO、Fe₃O₄等的前驱体溶液中普遍存在凝胶化效率下降甚至失效的问题。因此，急需突破现有光引发技术的局限，发展一种新型光控凝胶化策略用于含光吸收导电/磁性纳米材料复合水凝胶的可控制备。

据此，浙江大学徐志康教授、张超研究员团队提出了一种光热纳米触发器（PTNT）策略，通过光吸收纳米材料的经典光热效应，将传统不可控的热引发转变为一种新的光控精准热引发方式。PTNT具有高度普适性，可适配从零维纳米颗粒、一维纳米管到二维纳米片等多种光热纳米材料，并展现出高效的凝胶化性能和优秀的广谱光适应能力，突破了传统光引发技术对特定光源的依赖。在此基础上，PTNT方法通过引入兼具高粘性与低热导率的甘油，有效限制了光热生成的热量扩散，抑制自由基向未曝光区域扩散，从而赋予该方法空间可编程的高分辨率及异质结构打印能力。此外，PTNT还能够寄生于水凝胶网络使其获得新功能，在柔性电子器件、光/磁操控软体机器人等领域展现出广阔应用潜力。

2025年5月15日，相关工作以“Photothermal Nanotrigger Enables Rapid Gelation and Spatially-Programmable Printability under Broad-Spectrum Light” 为题发表在Advanced Materials上。 第一作者为硕士研究生满可欣，通讯作者为徐志康教授、张超研究员。

PTNT利用MXene、石墨烯、碳纳米管等光热纳米材料在宽光谱（可见光-紫外-近红外）下的高效光热转换能力，实现前驱体溶液“由内至外”快速均匀加热，触发自由基聚合。 以MXene为例，6分钟内溶液温度升至60°C，单体转化率达67%，凝胶时间缩短至8分钟（传统热引发需15分钟）。结合甘油调控热传导与自由基扩散，PTNT实现 50 μm高分辨率图案打印 ，并赋予水凝胶导电（ 电导率0.08–1 S/m ）、光/磁响应等特性。

图文介绍

图1.PTNT设计原理与优势。 (A) 通过PTNT策略制造纳米复合水凝胶的凝胶化过程示意图。PTNT策略利用经典的光热效应，将无法控制的热引发转化为可编程的光控热引发。PTNT策略在选择光热纳米材料作为触发器时展现出优秀的普适性。 (B) PTNT运用的凝胶化方法相较于传统热引发和光引发方法的优点。PTNT方法不仅能在广谱光下实现快速凝胶化，还能够通过引入甘油实现高分辨率的空间可编程打印。

阐释了PTNT的核心机制：光热纳米材料作为触发剂，将热引发转化为光控过程（图1）。通过“由内至外”加热（传统热引发为“由外至内”），减少热耗散，提升凝胶效率。PTNT兼容2D（MXene、GO）、1D（碳纳米管）、0D（Fe₃O₄）纳米材料，并可通过甘油调控实现高分辨率打印。该设计突破了传统光引发对特定波长的依赖，且光热纳米材料作为功能组分嵌入水凝胶网络，赋予导电、磁响应等性能。

图2.PTNT凝胶效率验证。 (A) 水凝胶前驱体在传统热引发和PTNT触发（模拟阳光照射）条件下温度随时间变化的红外图像。 (B)表面和内部温度变化曲线。与传统热引发方法相比，PTNT方法使水凝胶前驱体的表面和内部温度以由内而外的方式迅速升高。 (C) 热引发和PTNT方法凝胶化过程的照片。 (D) 热引发方法和PTNT方法凝胶化过程的单体转化率随时间变化曲线，以及在不同输入功率下的凝胶化时间对比。选择MXene作为PTNT，浓度固定为2.5 mg/mL。

通过红外热成像与单体转化率分析，对比PTNT与传统热引发的凝胶行为（图2）。MXene基PTNT在模拟太阳光下6分钟升温至60°C（传统热引发需15分钟），8分钟内单体转化率达67%（传统法52%）。红外图像显示PTNT加热均匀（内外温差<5°C），而传统法存在显著温度梯度（图2A,B）。凝胶时间随光功率增加进一步缩短，证实PTNT的高效性（图2D）。

图3.宽光谱兼容性与通用性。(A) 在可见光、紫外光和近红外光照射下，使用PTNT作为触发剂的水凝胶前驱体温度变化曲线及相应红外图像。 (B) 使用PTNT和光引发剂2959的前驱体在可见光、紫外光和近红外光下的凝胶化时间对比。 (C)单体转化率对比。与光引发剂2959不同，PTNT在广谱光下表现出更高的单体转化率和凝胶化效率。 (D) 使用PTNT和(E) 使用光引发剂2959时，水凝胶前体的凝胶化时间随光吸收MXene含量变化的关系。

展示了PTNT在宽光谱下的适应性（图3）。MXene基PTNT在可见光、紫外、近红外下均能触发凝胶（温度50–60°C），凝胶时间分别为6、8、34分钟，而传统光引发剂2959在相同条件下效率低下甚至失效。单体转化率在宽光谱下达55–75%（传统法仅10–15%）。此外，PTNT适用于丙烯酸、NIPAM等多种单体及油溶性单体（如2-EHA），展现材料设计的广泛自由度。

图4.空间可编程打印能力。(A) 使用PTNT作为凝胶触发剂的光热打印过程示意图。使用了氙灯光源、光掩模和含有光热纳米材料的水凝胶前驱体。 (B) 在PTNT光热打印过程中，不含甘油的水凝胶前驱体红外图像、温度变化曲线和电子顺磁共振（EPR）谱图。 (C)含有甘油的水凝胶前驱体的红外图像、温度变化曲线和电子顺磁共振（EPR）谱图。与不含甘油的情况相比，甘油的引入能够精确控制升温区域并限制自由基的扩散，从而大幅提升PTNT的打印分辨率。 (D) PTNT触发光热打印得到的不同分辨率线条、点阵和浙江大学校徽照片。 (E) 从单层拼接到双层复合的PTNT触发光热打印得到的水凝胶异质结构照片。

揭示了甘油对PTNT打印分辨率的调控机制（图4）。未添加甘油时，光热区域热量扩散导致自由基迁移，图案模糊（分辨率>500 μm）；引入甘油（水:甘油=1:2）后，热量局域化，温差达40°C，自由基仅存于曝光区，分辨率提升至50 μm。通过调节甘油比例，成功打印晶格阵列、ZJU标志及异质多层结构，为复杂器件制备奠定基础。

图5.多功能应用展示。(A)含导电PTNT的光热打印水凝胶蝴蝶的照片，展示了在不同拉伸状态下的导电特性。 (B) PTNT打印的响应型水凝胶花朵在近红外光和冷却作用下的光操控形状变换过程的示意图与实物照片。 (C) 使用Fe3O4作为PTNT打印的章鱼形状水凝胶的磁操控运动过程。

演示了PTNT打印水凝胶的多样化应用（ 图5）。导电水凝胶（碳纳米管基）拉伸150%后电导率保持稳定，适用于柔性电路（图5A）；光响应水凝胶（MXene/NIPAM基）在近光下花瓣动态卷曲（响应时间<30秒），冷却后复原（图5B）；磁性水凝胶（Fe₃O₄基）在外磁场驱动下以5 cm/s速度移动（图5C），展现了软机器人操控潜力。

综上，创新性地提出光热纳米触发剂（PTNT）策略，通过光热效应将传统热引发转化为光控过程，解决了纳米复合水凝胶制备中宽光谱兼容性差、吸光材料干扰及空间分辨率低等难题。PTNT利用MXene、Fe₃O₄等纳米材料的光热特性，实现宽光谱（可见光-紫外-近红外）触发凝胶，凝胶时间低至6分钟，效率较传统方法提升2倍以上。通过引入甘油调控热传导与自由基扩散，PTNT实现了50 μm高分辨率打印及异质结构构筑，突破了传统光刻技术的限制。此外，光热纳米材料作为功能组分嵌入水凝胶网络，赋予导电（1 S/m）、光/磁响应等特性，成功应用于柔性电子、光驱动软机器人及磁控器件。该工作不仅为纳米复合水凝胶的可控制备提供了新范式，还拓展了光热材料在功能材料合成中的潜力，推动了智能材料在生物医学、软体机器人等领域的应用。

该项工作得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助。

https://doi.org/10.1002/adma.202503717

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