深圳大学周学昌副教授课题组: 一步溶剂置换法制备抗结冰不干韧性有机凝胶
韧性水凝胶，一种具有良好机械性能的水凝胶，在组织工程、健康医疗、电子皮肤、软体机器人等领域具有重要的应用前景，近年来引起了研究人员的极大关注。但由于极高的含水量，导致了其在干燥、低温环境中分别容易失水和结冰，直接导致了韧性水水凝胶的形状和机械性能发生了巨大的改变，从而限制了它的使用范围和实际应用场景。
最近， 周学昌副教授课题组开发了一种溶剂置换法，将韧性水凝胶成功改造成低蒸发且抗结冰的含水量可控韧性有机水凝胶，从而解决韧性水凝胶在空气中易干和低温下易结冰问题。研究成果以“Rational Fabrication of Anti-Freezing, Non-Drying Tough Organohydrogels by One-Pot Solvent Displacement”为题，于2018年4月14日在Angewandte Chemie International Edition上在线发表，2017级硕士研究生陈繁、周丹并列第一作者，周学昌副教授为文章的通讯作者，作者单位均为深圳大学化学与环境工程学院。
在该方法中，韧性水凝胶经过简单的浸泡，其含有的水分可被甘油、已二醇、山梨醇等单一或者多种混合溶剂置换，形成韧性有机水凝胶（图1）。该凝胶在混合溶剂及高分子网络结构的影响下，溶剂分子的结冰行为受到了有效地抑制；另一方面，由于置换的溶剂不易蒸发，所得的韧性有机水凝胶展现出优良的抗结冰和不干性能。研究结果表明，在-70 oC 条件下仍观察不到凝胶的结冰，并具有良好的机械灵活性；在空气中甚至是冷冻真空干燥条件下，该凝胶依然具有良好的保湿性能。此外，通过多种溶剂的混合置换，韧性有机水凝胶的抗冻、不干性能可以得到有效地调控。
图1. 溶剂置换法制备抗结冰、不干韧性有机水凝胶的示意图 （上），低温机械灵活性展示图片（左下），保湿性能展示曲线（右下）。
该溶剂置换法作为一种对水凝胶后加工方法，它在制备抗结冰、不干韧性有机水凝胶方面具有两个特点：
(1)解决了传统的凝胶制备过程（如聚合过程）中需精确考量甘油等有机溶剂加入量对单体聚合的影响问题；
(2)抗冻、保湿性能可通过单一或多组分溶剂的调节。
该方法具有简单易行、成本低廉、通用性强，有望推动和进一步扩展韧性水凝胶甚至是水凝胶在复杂环境中（尤其是极端低温、干燥甚至真空条件下）的实际应用。
该研究受到国家自然科学基金、深圳市科创委等项目的资助和支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/anie.201803366
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