深圳大学周学昌教授团队特约综述：抗失水抗结冰水凝胶的研究进展

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水凝胶是一类超亲水的三维网络结构凝胶，包括通过化学键或者物理作用使得聚合物链相互交联所形成的网络结构，以及小分子通过非共价键组装形成超分子凝胶。近年来，水凝胶在柔性可穿戴式器件、电子皮肤、和软体机器人等领域展现出巨大的应用潜力。然而，大部分水凝胶材料在干旱条件下容易失水变干，在严寒气候下容易冻结失效，丧失很多功能，如弹性、导电性、透明性和自适应性等。对于穿戴式导电水凝胶柔性器件，水凝胶内水的冻结会导致器件失去弹性和导电性，严重限制其在低温环境下的应用。所以研究极端环境下自适应性凝胶对于拓宽凝胶的应用范围具有十分重要的意义。怎么样制备出极端环境下自适应性凝胶？我们可以从自然界中去寻找答案。在南北极和高海拔的严寒地区，气温常常能够达到-20℃以下，但是依然有一些物种，例如企鹅、北极熊等，能够长期生存下来，因为他们有一套能够抵御生物机体结冰的策略。这种保水抗结冰的策略给我们以启示，为人类研究和开发极端环境自适应性凝胶提供了很好的借鉴价值。

深圳大学周学昌教授研究团队在特约综述中，以抗失水性和抗结冰性这两大性能为主线，介绍了极端环境自适应性凝胶的一些构筑策略，并对抗失水抗结冰水凝胶在柔性可穿戴设备、传感器、皮肤抗冻和水系锂离子电池等领域的应用展开论述，总结了表面修饰弹性体的抗失水性水凝胶，抗冻盐凝胶，有机-水双溶剂抗冻凝胶、抗冻剂置换有机水凝胶、以及纳米限域水凝胶等具有极端环境自适应性的水凝胶的最新研究进展。同时，该综述也分别对各种不同构筑策略的在实际应用中的局限性进行了讨论。抗失水和抗结冰性能属于水凝胶环境适应性中十分重要的两方面，虽然在近些年来获得了巨大的突破，但是仍然还存在很多需要进一步研究和克服的问题。从长远来看，抗失水和抗结冰水凝胶的开发是还只是发展复杂多变的环境自适应性水凝胶的初步探索，未来有关这类材料的研究和应用仍然还有很长的路要走。论文最后展望了抗失水抗结冰水凝胶在柔性可穿戴器件和软体机器人两大领域的巨大应用前景。一方面，为了克服软体机器人在南北极或者高海拔地区可能存在的冻结失效，开发能够自适应恶劣环境的抗失水和抗冻软体机器人将是未来重要的发展方向；另一方面，具有导电性的抗冻抗干燥水凝胶还有望应用于人机界面(Human–Machine Interaction)，不仅实现对于外界刺激信号的传感，也能实现对外界的反馈。为了更好地突破气候环境对于水凝胶材料在实际应用上的诸多限制，从事机器人、传感器、能源、高分子材料等方向的研究人员可进行跨领域的交叉合作，共同推动该领域的发展。

上述工作以题为“抗失水抗结冰水凝胶的研究进展”综述形式发表在《高分子学报》2020年第9期( 高分子学报, 2020，51(9): 969-982, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2020.20100)，第一作者王奔博士，通讯作者深圳大学周学昌教授。

论文连接：

gfzxb.org/article/doi/10.11777/j.issn1000-3304.2020.20100

来源：高分子学报

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